Гидравлический аксиально-поршневой насос с измерением нагрузки и ограничением давления
Этот пример показывает испытательную установку, предназначенную для исследования взаимодействия между аксиально-поршневым насосом и типичным модулем управления, одновременно выполняя функции измерения нагрузки и ограничения давления. Чтобы гарантировать необходимую точность, модель насоса должна учитывать такие функции, как взаимодействие между поршнями, наклонным диском и распределительным диском, что делает необходимым создание подробной модели насоса.
Модель
Фигура 1. Схема испытательной установки
Описание испытательной установки
Модель насоса представлена подсистемой с именем Axial-Piston Pump. Основной двигатель, вращающий насос, моделируется Идеальным источником Скорости вращения. Выход насоса проходит через трубопровод, модуль управления и отверстия переменного сечения, который действует как нагрузка. Чтобы проверить реакцию модуля управления на переменную нагрузку, отверстие изменяет свою площадь во время симуляции. Профиль изменения реализован блоком Signal Builder.
Контрольный модуль на испытательной буровой установке представлен подсистемой под названием Pressure/Flow Control Модуля. Функция измерения нагрузки управления насосом использует фиксированное отверстие. Модуль управления поддерживает перепад давления на этом отверстии постоянным, независимо от загрузки насоса. Модуль управления получает сигналы о давлении на выходе насоса и давлении нагрузки, измеренных после клапана управления потоком. Основываясь на этих давлениях, модуль производит перемещение ярма, которое влияет на угловое положение угла наклона диска в насосе. Это помогает поддерживать заданный перепад давления на клапане управления потоком и предотвратить превышение давления насоса заданным значением.
Основные параметры испытательной установки:
Pump maximum displacement 7.8877e-6 m^3/rad Pitch radius 0.04 m Piston area 1.77e-4 m^2 Number of pistons 5 Maximum piston stroke 0.06 m Swash plate maximum angle 35 deg (0.6109 rad) Arm length between the actuator and the swash plate pivoting point 0.055 m Swash plate actuator stroke 0.04 m Diameter of the orifice at the bottom of the piston chamber 0.007 m Pump maximum rated speed 260 rad/s (2482 RPM) Maximum pressure 270 bar Rated flow 1.1e-3 m^3/s
Все основные параметры заданы с помощью опции Model Properties > Callbacks > InitFcn.
Модель аксиально-поршневого насоса
Исследуемый насос является аксиально-поршневым с пятью поршнями.
Фигура 2. Схема аксиально-поршневого насоса
Принципиальная схема насоса показана на фигуре 2, где:
1 - распределительный диск
2 - блок цилиндров (ротор)
3 - поршень
4 - ведущий вал
5 - наклонный диск
Блок схема модели насоса показан на Фигуру 3.
Фигура 3. Модель насоса
Каждый поршень насоса представлен подсистемой под названием Piston. Эти подсистемы идентичны и соединяются со следующими внешними портами модели насоса:
S - ведущий вал насоса
Y - ярмо, соединенное с наклонным диском наклонного механизма
P - расход насоса
Всасывающие порты всех поршней (порты А) соединяются с выходом дожимного насоса низкого давления, который моделируется блоком Идеальный Источник Гидравлического Давления. Давление выхода дожимного насоса устанавливается равным 5e5 Pa.
Ярмо соединяется с портами Y всех поршней, таким образом воздействуя на наклонный диск наклонного механизма. Перемещение ярма ограничено жёстким упором.
Фигура 4. Поршневая модель
Модель поршня (рисунок 4) основана на блоке Гидравлического Цилиндра Одностороннего Действия, который механически соединяется с валом привода через блок Наклонного Диска. Гидроцилиндр также гидравлически соединяется с портами А и B через блоки Отверстия Переменной Пластины Портирования. Порты А и B представляют порты нагнетания и всасывания насоса, соответственно.
Назначение порта выполняется на основе следующих факторов:
Поршни равномерно расположены по тангаж поршневого цилиндра, как показано фигура 2. Это делает угол между поршнями 360/5 = 72 степени.
Предположим, что первый поршень (отмеченный P1 в схеме) расположен точно в ссылку точке, которая соответствует самому низкому положению поршня. Давайте далее предположим, что порт А представляет входное отверстие насоса. Другими словами, поршень, движущийся вдоль паза А в положительном направлении (в этом случае по часовой стрелке), идет вверх, и его ёмкость заполнена жидкостью дожимным насосом. Это означает, что параметр Phase angle Отверстия Переменной Пластины Портирования A в поршне 1 должен быть установлен в нуль. Тот же параметр Отверстия Переменной Пластины Портирования B в поршне 1 должен быть установлен на 180 степени, потому что он начинает взаимодействовать с пазом B (порт нагнетания насоса) только после поворота на 180 степени.
В модели поршня параметры Phase angle каждого блока Отверстия Переменной Пластины Портирования обозначаются как Phase angle A и Phase angle B, соответственно. Значения угла фазы для всех пяти поршней вычисляются в разделе инициализации редактора маски подсистемы аксиально-поршневого насоса. В следующей таблице показаны их значения в степенях с соответствующими значениями в радианах, приведенными в круглых скобках:
--------------------------------------------------------------------- Piston name in | Phase angle A | Phase angle B | Phase angle in the pump model | | | Swash Plate block --------------------------------------------------------------------- Piston_1 | 0 | 180 (pi) | 0 Piston_2 | 72 (1.2566) |-108 (-1.885) | 72 (1.2566) Piston_3 | 144 (5.5133) | -36 (-0.8029) | 144 (5.5133) Piston_4 |-144 (-5.5133) | 36 (0.8029) |-144 (-5.5133) Piston_5 | -72 (-1.2566) | 108 (1.885) | -72 (-1.2566) ---------------------------------------------------------------------
Блок Наклонный Диск в модели поршня также требует, чтобы был назначен угол фазы, чтобы определить положение поршня относительно наклонной поверхности. При выбранной контрольной точке значения угла фазы наклонного диска совпадают со значениями Phase angle A, как показано в таблице.
Блоки Отверстие Переменной Пластины Портирования требуют углового положения соответствующего поршня на их входе. Эта функция выполняется блоком Angle Sensor.
Другими важными параметрами являются штрих цилиндра и начальное положение поршня относительно упора гидроцилиндра. Штрих должен быть достаточно большим, чтобы поршень мог вращаться даже под максимальным углом наклонного диска
Штрих > 2 * PitchRadius * tan(MaxAngle),
где PitchRadius является радиусом окружности тангажа блока цилиндров, а MaxAngle является максимально допустимым углом наклонного диска.
В модели максимальный угол установлен на 35 степени (0,6109 рад) и радиус тангажа установлен на 0,04 м, что делает штрих больше 0,056 м. Штрих установлен на 0,06 м. Начальные положения поршня должны быть равны половине штриха при нулевом исходном угле наклона диска. Но начальный угол изменяет его значение в зависимости от начального положения привода. В результате начальные положения поршня вычисляются уравнением
Вычисление начальных положений поршня выполняется в разделе инициализации редактора масок подсистемы.
Модуль управления давлением/потоком
Целью модуля управления является реализация двух функций: измерения нагрузки и ограничения давления. Измерение нагрузки осуществляется путем поддержания заданного перепада давления на клапане управления потоком. В модели испытательной установки (рисунок 1) регулирующий клапан потока моделируется блоком Отверстие с пазом переменной площади. Давления перед и после клапана передаются в модуль управления давлением/потоком через порты P и LSP (рисунок 5).
Фигура 5. Схема модуля управления давлением/потоком
Эти давления действуют на боковые поверхности трехстороннего направленного клапана и сдвига клапан пропорционально различию давления и установке центрирующих пружин. Соединения клапана выбраны таким образом, что увеличение перепада давления открывает путь A-P и закрывает путь A-T. Привод выполнен в виде одноштокового дифференциального гидроцилиндра со штоком, соединенным с вилкой насоса. Перемещение насоса увеличивается, если шток перемещается в направлении стрелы, показанного на схеме. Из-за различия между эффективными площадями гидроцилиндра перемещение увеличивается, если обе полости цилиндра соединены с насосом, и уменьшается, если ёмкость без штока соединена с баком. В результате увеличение перепада давления на клапане заставляет насос уменьшать свое перемещение, пока он не вернется к заданному значению. Предварительная нагрузка на пружину клапана определяется уравнением
Функция ограничения давления предназначена для предотвращения превышения давления насоса заданным значением. Он реализован с клапаном сброса давления и отверстием в линии LSP. Предохранительный клапан устанавливается на желаемое максимальное значение. Когда давление насоса возрастает до этого значения, клапан открывается и заставляет давление в правой ёмкости клапана уменьшать путь открытия A-P. Привод смещается вправо до тех пор, пока давление не вернется к заданному значению.
Модель датчика нагрузки построена с помощью 3-Way Directional Valve, Гидравлического привода клапана двойного действия, Клапана сброса давления и Блоков Фиксированное Отверстие, как показано на диаграмме модели (Фигуры 6 и 7).
Фигура 6. Модель модуля управления давлением/потоком
Фигура 7. 3-сторонняя модель управления давлением в клапане
Перепад давления установлен на 20 бар. 3-Way клапан пути A-T должен быть первоначально открыт, чтобы заставить насос увеличить его перемещение в начале операции. Чтобы выполнить функцию измерения нагрузки, увеличение давления в порту B (порт измерения нагрузки) должно открыть путь A-T и закрыть путь A-P. Это - причины, определяющие соединения портов клапанов с системой. Оставшиеся параметры регулирующего клапана, чувствующие нагрузку, такие как жесткость пружины, штрих клапана, площадь постоянного отверстия клапана и так далее, настраиваются в модели, чтобы гарантировать необходимую точность, стабильность и числовую эффективность.
Функция ограничения давления реализована с комбинацией блоков Фиксированное Отверстие и Клапан Сброса Давления. Клапан установлен на 250 бар. При этом давлении увеличение потока через фиксированное отверстие вызывает падение давления на порте Y привода Гидравлического Клапана Двойного Действия (Привод запорного Клапана на Фигуре 7), что в конечном счете уменьшает перемещение насоса.
Описание цикла
Моделируемый цикл состоит из шести элементов, характеризующихся различными условиями нагрузки с блоком Variable Area Slot.
Цикл начинается с сигнала нулевого открытия, за которым следует открытие 2,8, 5,2, 1, -0,8 и, наконец, 2,45 мм. В начале цикла вал насоса начинает вращаться со скоростью 260 рад/с (~ 2500 об/мин), начальное положение ярма насоса устанавливается на 5 мм. Сервоцилиндр начинает увеличивать перемещение насоса, давление насоса медленно нарастает, и процесс отстаивается на уровне ~ 0,35 с после того, как перепадом давления через клапан управления потоком становится близким к заданному значению 20 бар. Измерительный клапан в этот момент открывается ~ на 1,2 мм.
В течение следующих трёх фрагментов цикла насос поддерживает практически ту же подачу, несмотря на изменения открытия загрузочного клапана.
На 1 с загрузочный клапан практически полностью закрыт, что приводит к росту давления насоса. Функция ограничения нагрузки становится доминирующей, когда давление достигает 270 бар. Насос возвращается в режим измерения нагрузки после падения давления ниже заданного значения.
Результаты симуляции из Simscape Logging
Рисунок ниже показывает скорость потока жидкости в поршнях насоса и при нагрузке. Можно увидеть циклический характер давлений поршня, а также общее поведение насоса, который остается близким к его номинальной скорости потока жидкости.
Графики показывают измерение нагрузки и управление ограничением давления. Насос поддерживает номинальный расход жидкости 1,1 м ^ 3/с, даже когда изменяется нагрузка, как показано на графике выходного давления насоса. Однако, когда выходное давление насоса повышается до его максимального номинального давления, управление ограничением давления регулирует положение ярма, и скорость потока жидкости падает ниже его номинального расхода.
