基于SimulationX变量柱塞泵的工程建模与仿真

堵利宾

摘 要：论述如何利用ITI公司的Simulation X软件开发平台，回避对变量柱塞泵详细结构尺寸等参数的需求，实现快速对液压变量柱塞泵进行工程建模，并根据液压变量泵的实际状态设置模型的主要参数，通过结合仿真曲线和试验结果，对仿真结果进行了分析和对比，并对仿真模型进行了修正，最后对液压变量泵模型进行封装。作为液压变量柱塞泵的非研发制造者，不需要对液压柱塞泵的结构尺寸等参数详细了解，也同样能够实现建模，并应用到系统仿真中，该建模技术路线清晰，建模操作简单，建模效率高，通过实际验证，误差小，能够满足系统建模与仿真的使用要求。

关键词：SimulationX；变量柱塞泵；工程建模；仿真

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.31.088

1 引言

基于工程机械高压化、节能环保发展要求，各类工程机械开始转型液压变量系统，以解决定量系统能耗高、效率低的缺陷。液压变量柱塞泵作为液压变量系统的关键元件，其性能好坏直接影响各种工程机械设备的作业性能。传统工程机械设备的设计经常大量采用经验公式和静态设计，而且传统设计中用到的微分方程和差分方程不能够很好地解决真实系统在复杂工况环境下的实际运行特性，以至于设计出的液压系统在遇到实际工作中的复杂工况时无法有效应对，往往无法达到设计要求的工作能力。因此，大规模采用专业化的仿真软件进行虚拟样机的仿真分析是近年来液压系统设计的方向。

本文将以某全液压履带起重机的液压变量泵为例，应用 ITI公司的SimulationX 软件仿真平台对液压变量柱塞泵进行建模及仿真，从而为系统建模与仿真提供基础组件。

ITI-SimulationX是德国ITI公司自1993年开始推出的一种新型的工程高级建模和多学科仿真软件，支持最新的多物理领域仿真语言Modelica以及交互式图形界面（GUI），它包含的标准元件库有1D力学、3D多体系统、动力传动系统、液力学（包括管道模型和液压元件设计库）、气动力学（包括管道模型和氣动元件设计库）、热力学、热液电子学、电驱动、磁学和控制等，在统一平台上实现了多学科领域的系统工程的建模和仿真。

同时，SimulationX还具有多种仿真运算功能：时间域上的瞬态仿真、频域上的稳态仿真、平衡计算、固有频率和模态分析、可靠性分析、变量分析等。因此本文采用该软件作为仿真平台。

2 建模方法

液压柱塞变量泵主要有传动轴、壳体、缸体、柱塞、变量机构、配流盘等组成，其结构复杂，如图1所示为恒功率变量柱塞泵结构原理图，该变量柱塞泵为双泵，即由两个柱塞泵（包括缸体、柱塞、配流盘等）布置在一个壳体内，通过齿轮啮合实现两个柱塞泵同步，每个泵都有自己的变量机构，且具备功率控制，与负载无关，即双泵能够实现分功率控制。由于柱塞组件与传动轴之间有一定的倾斜角，当柱塞泵的传动轴按一定方向旋转时，则向上方旋转的柱塞不断向外伸出，柱塞底部的容积也在不断增大，从而出现负压，液压油在大气压的作用下，从变量柱塞泵的吸油口经过配流盘的吸油槽进入柱塞底部腔体，完成柱塞泵的吸油过程。同时，向下方旋转的柱塞不断向内缩进，柱塞底部的容积在不断减小，液压油在柱塞压力作用下经过配流盘出油槽排到变量柱塞泵的出口，完成压油过程。

当变量柱塞泵出口压力为零时，变量泵工作在最大排量，随着变量泵出口压力的增加，变量泵出口压力油作用在活门组件上的力也随之增加，当到达功率弹簧平衡力时，活门组件滑动，控制油进入流量活塞大腔，推动流量活塞向上运动，以至于变量柱塞泵的排量减小，直至到达平衡，从而实现功率恒定。

从该泵的结构原理可以了解到，该泵的零部件超过百件，而且每个零部件单元的结构形式和尺寸多样，给建模带来相当大的困难。如果按照变量柱塞泵的实际机构详细建模，其建模、参数标定等环节的工作量非常大，可能需要几周的时间，尤其是作为元件的使用方而非研制方，要获取这些详细参数也并非易事，而本文将采用功能工程建模的方式，对恒功率变量柱塞泵进行简化建模。本次建模对象为液压变量柱塞双泵，其为分功率恒定负流量控制，其原理如图2所示，该方法不需要了解元件的详细构造和尺寸，仅通过元件的主要功能模块和基础参数进行建模。

3 建模原理

根据SimulationX的液压库、信号库和机械库中提供的液压变量泵、压力传感器、转动惯量等基础模型搭建变量柱塞泵模型，如图3所示。该泵为分功率控制，并且每个单泵为恒功率控制；通过公式（1）与（2）计算出泵的排量以实现恒功率负流量控制。

通过Type designer将其封装，便于搭建系统模型时使用，完成如图4所示的封装模型图元和名称。

选取并定义模型图元的内部端口参量和外部连接接口名称与备注说明，然后定义模型图元的变量或参量，完成如图5所示的预设值，以及根据需要完成的模型控制逻辑运算等，最后完成封装。

上述搭建的变量柱塞泵模型需要进行一些基本参数设置，如图6所示。主要考虑了容积效率、机械效率、额定输入功率等参数。这些参数基本上都是柱塞泵的基本功能性能参数，很容易获取。

4 模型验证

通过搭建基本的系统回路对变量柱塞泵模型进行验证，验证回路模型如图7所示。根据泵的实验条件及测试数据（如表1所示）对变量柱塞泵模型进行验证。为了测试变量泵的流量—压力特性，通过节流加载的方式进行试验，首先将节流阀的开度达到最大（此时泵的排油压力为 最大排量），随后逐渐减小节流开度，增加变量泵的负载，变量柱塞泵的压力随之上升，流量逐渐减小，节流阀完全关闭后，泵的排油压力达到最小，其中，泵的驱动转速为2000rpm，输入功率170kW，安全阀设定32MPa，通过观察压力-流量特性曲线来验证模型的正确性和准确性。

同样的方式，经过仿真分析与上实验台实验测试，主泵的压力-流量特性曲线如图8所示。

图8中，实线曲线表示液压柱塞泵的实际试验测试数据，点划线曲线表示模型仿真结果。可以看出，柱塞泵实际为非标准恒功率控制，而模型输出为标准的恒功率控制，二者有些差别，但是其误差均在3%以内（如表2所示）。

5 结论

利用ITI公司的SimulationX软件的二次开发平台，对恒功率变量柱塞泵进行工程建模、封装与仿真，并通过实验数据对变量泵模型进行校正，能够快速完成变量泵的仿真模型，从而为系统建模做好基础准备。该模型同标准库模型一样，能够方便查看各端口的压力、流量等状态变量。结果表明： 基于ITI-SimulationX的液压柱塞变量泵的工程建模与仿真能够模拟恒功率变量柱塞泵的实际特性，满足系统建模与仿真的需求，相对于变量柱塞泵的详细建模与仿真，此方法建模与仿真的工作量能够降低百分九十以上。

参考文献

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