AMESim：低温对恒压式变量柱塞泵开启压力影响的仿真分析

1.1 恒压控制原理

恒压变量机构是根据泵出口压力与变量机构压力设定值的差值调节输出流量，保持泵出口压力为一恒定值。液压泵结构如图1所示，变量原理图如图2所示。

1-高压弹簧 2-斜盘回位弹簧 3-回位活塞

4-斜盘 5-变量活塞 6-恒压控制阀

图1 液压泵结构

图2 变量原理图

如图1、图2所示，恒压控制主要机构包括恒压阀、变量活塞和回位活塞，其工作原理为：

初始时，压力控制阀工作在左位，液压泵在回位活塞弹簧的作用下回到最大排量。此时，变量活塞腔的油液通过控制阀流向泵壳体内腔。

随着负载压力的升高，到达零流量压力，此时，控制阀阀芯打开，压力控制阀工作在右位，出口压力油进入变量活塞腔，使得变量活塞推动斜盘，让泵工作在零排量（小排量），从而实现了液压泵的恒压控制。

1.2 外场故障现象

产品在低温测试时，当整个系统处于-40℃时，启动系统，当液压泵出口压力达到恒压变量点时，出口压力要高于常温下的液压泵恒压设定值2MPa；当大约1分钟后，泵出口压力逐渐恢复到常温恒压设定值。

2.1 AMESim模型搭建

根据液压泵恒压控制原理，运用AMESim液压元件设计库HCD建立仿真模型，如图3所示。

图3 仿真模型

液压泵控制模型主要参数参考泵相关零件设计尺寸设置，保证了仿真模型与实际产品的一致性。

2.2 原理分析

由于液压泵出口压力超调是在低温下出现，当液压泵运转大约1分钟后消失，此时，油液温度已迅速上升至常温状态。所以，出现此现象的可能原因为：当油液温度变化时，其黏度会出现较大的波动，而油液黏度会影响泵控制机构的稳定性。

2.3 仿真计算

当油液温度不同时，其黏度会发生较大的变化，查阅《液压技术手册》，得到不同温度下的油液黏度值，如表1所示。

表1 不同温度下的油液黏度

注：油液密度=833kg/m3，忽略温度对油液弹性模量的影响。

油液温度为40℃时，油液动力黏度为11.7cp，调定液压泵恒压值为18.04 MPa，恒压变量曲线如图4所示。

图4 油温40℃时恒压变量曲线

保持AMESim模型其他参数不变，调整油液温度为-40℃时，油液动力黏度为306.6 cp，恒压变量曲线如图5所示。

图5 油温-40℃时恒压变量曲线

由图5可知，液压泵恒压设定值变为18.21MPa,较油液温度为40℃时上升0.17MPa。

由AMESim仿真模型可知，油液温度下降，即油黏度增大时，液压泵恒压设定值会呈上升趋势。

为验证AMESim仿真模型的准确性，搭建Fluent流场仿真模型，分别分析计算40℃和-40℃时，压力油液对变量活塞的作用力变化情况。

利用流场仿真软件搭建液压泵控制机构流场仿真模型，计算不同温度下变量活塞受力情况，模型见图6。

图6 液压泵控制机构流场仿真模型

3.2 仿真计算

以-40℃和40℃两种温度为例，分别计算油液黏度不同时，变量活塞推力的变化情况，计算结果如表2所示。

表2 不同黏度变量活塞推力的变化情况

计算结果表明，油液温度（黏度）会影响变量活塞底部推力，即变量活塞底部推力在油液温度低时较小，在油液温度高时较大，差值为13 N。这就意味着，液压泵在低温时，变量活塞底部需要更大的力才能将泵斜盘推至零流量状态。

液压泵出口压力油经过控制阀节流作用后到达变量活塞底部，如果变量活塞底部的推力增加了，那必然是液压泵出口压力升高导致的结果。当液压泵出口压力升高时，控制阀阀口开度增加，则到达变量活塞底部的压力就会增大；当油液温度上升后，变量活塞底部需要的推力就会减小，此时，液压泵出口压力就会下降，液压泵恒压设定值也会恢复到正常值，这与液压泵在外场出现的故障现象是一致的。

液压泵变量活塞结构如图7所示。

图7 液压泵变量活塞结构

压力油液由液压泵出口经过控制阀后，通过活塞套筒上的小孔，到达间隙间隙1所示位置，此时，压力油液流向两个方向，一是通过间隙2后，流向泵内腔，形成回油；二是作用在变量活塞底部使液压泵变量。

考虑到该结构中间隙1和变量活塞底部倒角过小，可能会阻碍压力油液流向变量活塞底部，对变量活塞进行了优化改进，增加通油面积和压力油液作用面积，使得变量活塞在相同油压作用下，获得更大的推力，改进后结构如图8所示。

图8 改进后的结构

仍然以-40℃和40℃两种温度为例，分别计算油液黏度不同时，改进后变量活塞推力的变化情况，计算结果如表3所示。

表3 改进后变量活塞推力的变化情况

计算结果表明，使用改进结构后的变量活塞会使液压泵在40℃和-40℃下的活塞推力均有所增大，并且两种温度下的推力差值仅为0.4 N。这说明使用该结构的变量活塞后，液压泵受油液温度变化的影响较小。

为验证措施有效性，加工了如图8所示的变量活塞试验件，更换液压泵原有变量活塞后进行低温启动试验。

试验时，整个系统处于-40℃的环境中，两台产品的启动压力曲线如图9、图10所示。

由图9、图10可见，产品1低温下启动的恒压值峰值为19.5MPa，比更换变量活塞前减小约1MPa；产品2低温下启动的恒压值峰值为18.6MPa，比更换变量活塞前减小约2MPa。

图9 产品1启动压力曲线

图10 产品2启动压力曲线

以上仿真计算结果和验证测试结果表明，变量活塞底部间隙1(见图7)影响液压泵低温启动时压力超调的主要因素。

改进变量活塞后的产品比原状态产品在低温启动时的恒压值下降（1～2）MPa，说明该改进结构的变量活塞能有效消除该型液压泵在低温下启动时的压力超调现象。