Модель

Описание испытательной установки

Насос моделируется Подсистемой Аксиально-Поршневого Насоса. Основной двигатель, вращающий насос, представлен источником скорости вращения. Вход насоса соединяется с выходом дожимного насоса низкого давления 0,5 МПа. Выход насоса проходит через трубопровод, модуль управления и отверстия переменного сечения, который действует как нагрузка. Чтобы протестировать реакцию модуля управления на переменную нагрузку, площадь постоянного отверстия нагрузки изменяется во время симуляции через блок Signal Builder.

Модуль управления моделируется подсистемой Pressure/Flow Control Unit. Функция измерения нагрузки управления насосом использует отверстие, установленное на выходном пути потока насоса. Модуль управления сохраняет перепад давления на этом отверстии постоянным независимо от загрузки насоса путем регулирования хода ярма, который влияет на угол наклона наклонного диска насоса. Это помогает поддерживать желаемую скорость потока жидкости через отверстие, а также препятствовать превышению давления насоса заданным значением.

Основные параметры испытательной установки:

Pump maximum displacement                        7.8877e-6 m^3/rad
Cylinder block pitch radius                      0.04 m
Piston diameter                                  0.015 m
Number of pistons                                5
Maximum piston stroke                            0.06 m
Swash plate maximum angle                        35 deg (0.6109 rad)
Arm length between the control actuator
  and the swash plate pivoting point             0.055 m
Swash plate control actuator stroke              0.04 m
Diameter of the orifice at the bottom
  of the piston chamber                          0.007 m
Pump maximum rated speed                         2500 RPM
Maximum pressure                                 27 MPa
Rated flow rate                                  1.1e-3 m^3/s

Подсистема аксиально-поршневого насоса

Исследуемый насос имеет пять поршней. Его схема показана ниже:

Фигура 1. Схема аксиально-поршневого насоса

где

Пять поршней смоделированы в Подсистеме Аксиально-Поршневого Насоса:

Поршни идентичны и моделируются в собственных идентичных подсистемах. Все они соединяются со следующими портами модели насоса:

Перемещение ярма ограничено жёстким упором.

Поршневая подсистема

Поршневая модель состоит из блока Гидропривода одностороннего действия (IL), соединенного механически с валом через блок Наклонного Диска. Поршень также гидравлически соединяется с портами А и B через два блока Отверстие Клапанного Диска (IL). Порты А и B представляют входные и выходные порты насоса, соответственно.

Поршень всасывает жидкость вверх и вытесняет жидкость вниз. Два блока Клапана Отверстия Пластины (IL) моделей взаимодействие между фиксированным отверстием в нижней части поршневой камеры и двумя канавками в форме полумесяца на клапан диске так, что поршень соединяется с портом A во время его восходящего хода и портом B во время нисходящего хода.

Следующий график показывает площади потока, образованные взаимодействием между поршнем и двумя канавками в форме полумесяца на диске клапана. Когда блок цилиндров вращается, отверстие поршневой камеры скользит по канавке, чтобы открыть площадь потока, а затем скользит с канавки, чтобы закрыть площадь потока. Две канавки разделены углом фазы 180 степеней так, что поршень скользит по канавке, соединенной с входным отверстием (А), во время восходящего хода и скользит по канавке, соединенной с выходным отверстием (В), во время нисходящего хода. Это приводит к попеременно открытым площадям потока, как показано на первом подграфике.

Поршни расположены равномерно по окружности тангажа блока цилиндров, как показано фигура 1. Это делает угол между поршнями 360/5 = 72 степени. Поэтому углы фаз блоков Клапана отверстия (IL) каждого поршня смещены от предыдущего поршня на 72 степени. Это приводит к равномерно распределенным и перекрываемым открытым площадям потока для впускной канавки, как показано на втором подграфике.

Наклон наклонного диска - это то, что создает перемещение поршня при вращении блока цилиндров. Блок Наклонный Диск соединяется с Гидроприводом одностороннего действия (IL), чтобы привести в действие этот поршень. Подобно блокам Клапана Отверстие Диска (IL), угол фазы блока Наклонного Диска каждого поршня смещен от предыдущего поршня на 72 степени.

Больший угол наклона диска приводит к большему перемещению поршня, которое создает больший объем потока. Штрих поршня должен быть достаточно длинным, чтобы поршень мог совершать возвратно-поступательное движение даже при максимальном угле наклона диска:

где m - радиус тангажа, а o - максимальный угол наклона диска. Это означает, что штрих поршня должен быть больше 0,056 м и таким образом установлен на 0,06 м.

Начальные положения поршня должны быть равны половине штриха, если угол наклона диска равен нулю. Он смещается от половины штриха в зависимости от угла фазы поршня, если начальный угол наклона диска ненулевое. Начальный угол наклона диска зависит от начального положения привода управления. Поэтому начальное положение каждого поршня является

где - начальное положение привода управления наклонным диском, - рычаг привода управления наклонным диском и - угол фазы поршня в блоке цилиндров. Это вычисление реализовано на вкладке Initialization маски подсистемы аксиально-поршневого насоса.

Подсистема модуля управления давлением/потоком

Целью модуля управления является реализация двух функций: измерения нагрузки и ограничения давления. Измерение нагрузки осуществляется путем поддержания заданного перепада давления через отверстие управления потоком. В выходном потоке насоса установлено отверстие управления потоком. Следующий рисунок показывает схему модуля управления, где порты А и B соединены последовательно с выходом насоса.

Фигура 2: Схема модуля управления давлением/потоком

Давление до и после отверстия управления потоком действует на боковые поверхности трехстороннего направленного клапана и сдвигов золотник клапана пропорционально различию давления и установке двух центрирующих пружин. Соединения клапана выбраны таким образом, что увеличение перепада давления через отверстие управления потоком открывает направленный клапан пути P-A и закрывает путь A-T. Привод управления выполнен в виде одноштокового дифференциального гидроцилиндра со штоком, соединенным с ярмом наклонного диска. Перемещение насоса увеличивается, если шток перемещается в положительном направлении, показанном на схеме. Из-за различия площадей базового поршня двух сторон цилиндра перемещение увеличивается, если обе полости цилиндра соединены с насосом, и уменьшается, если ёмкость без штока соединена с баком. В результате увеличение перепада давления через отверстие управления потоком заставляет насос уменьшать свое перемещение, пока он не вернется к заданному значению.

Функция ограничения давления препятствует превышению давления на выходе насоса заданным значением. Он выполнен с клапаном сброса давления и фиксированным отверстием на линии давления ниже по потоку от отверстия управления потоком. Клапан сброса давления устанавливается на желаемое максимальное значение. Когда давление насоса возрастает до этого значения, клапан сброса давления открывается, чтобы снизить давление и заставляет направленный клапан увеличить путь P-A уменьшения пути A-T. Это смещает привод управления, чтобы уменьшить его перемещение, пока давление не вернется к заданному значению.

Модель модуля управления показана ниже:

Привод управления моделируется блоком привода двойного действия (IL). Отверстие управления потоком моделируется блоком Отверстие золотника (IL) с опцией прямоугольного отверстия. Площадь открытия этого отверстия выбирается таким образом, чтобы получить желаемый номинальный расход жидкости 1,1e-3 м ^ 3/с для функции измерения нагрузки.

Комбинация блока 3-Way клапана (IL) и блока привода клапана управления (IL) представляет направленный клапан на схеме на фигуре 2. Порты X и Y управляемого клапана измеряют давление, действующее на две стороны направленного клапана, и регулируют положение золотника блока 3-Way Directional Valve (IL). Центрирующие пружины в блоке Привода Клапана Управления (IL) возвращают золотник в нейтральное положение. Путь A-T блока 3-Way клапана (IL) является наполовину открытой в нейтральном положении, чтобы заставить насос увеличить его перемещение в начале операции. Другие параметры, такие как жесткость пружины, штрих клапана, площадей постоянного отверстия клапана и т.д., настраиваются в модели на точность и стабильность.

Заданный перепад давления в предохранительном клапане установлен на 25 МПа. Поскольку функция измерения нагрузки поддерживает примерно 2 МПа различия давления через отверстие управления потоком, это заставляет функцию ограничения давления поддерживать максимальное давление 27 МПа в порту А модуля управления.

Операция испытательной установки

Нагрузка испытательной установки представлена блоком Отверстие золотника (IL). Симуляция состоит из шести различных условий загрузки, достигнутых путем изменения положения золотника отверстия нагрузки на 2 мм, 5 мм, 7 мм, 3 мм, 1 мм и 4 мм. Привод управления первоначально увеличивает перемещение насоса для повышения давления. Процесс отстаивается на уровне около 0,35 с после того, как различие давления через отверстие для регулирования потока становится близким к 2 МПа, и достигается номинальная скорость потока жидкости 1,1e-3 м ^ 3/с.

Во время следующих трех условий загрузки модуль управления поддерживает ту же производительность насоса, несмотря на изменение открытия отверстия нагрузки.

На 1 с отверстие нагрузки почти закрыто, что приводит к росту давления насоса. Функция ограничения давления становится доминирующей, когда давление достигает 27 МПа. Модуль управления возвращается в режим измерения нагрузки после падения давления ниже 27 МПа.

Результаты симуляции из возможностей

Результаты симуляции из Simscape Logging

Этот график показывает скорость потока жидкости в аксиально-поршневом насосе. Циклический характер перемещения поршня можно увидеть в скорости потока жидкости в каждом поршне. Отрицательный фрагмент цикла скорости потока жидкости поршня соответствует жидкости, втягиваемой через клапанный диск A, и положительный фрагмент цикла скорости потока жидкости поршня соответствует жидкости, вытесняемой через клапанный диск B. Совокупный эффект пяти поршней приводит к общему поведению насоса, который обеспечивает положительный расход жидкости около 1,1e-3 м ^ 3/с через отверстие нагрузки.

Этот график показывает контроль измерения нагрузки и ограничения давления. Насос поддерживает номинальный расход жидкости 1,1e-3 м ^ 3/с даже при изменении нагрузки. Однако, когда выходное давление насоса повышается до максимального номинального давления 27 МПа, управление ограничением давления уменьшает положение ярма, и скорость потока жидкости падает ниже его номинального расхода.