低速大功率径向柱塞泵的机液耦合仿真研究

低速大功率径向柱塞泵的机液耦合仿真研究

1风压机的检测近年来，尽管rv显示出基于齿轮增长率的技术的发展趋势。由风电液压传动的变速恒频控制原理可知,柱塞腔内压力瞬变规律和泵的出口流量脉动规律的识别是液压风力机控制的基础。动态特性是研究风力发电机组性能的依据2生活在抗混叠和风压泵之间的应用在风电液压增速传动中,风能驱动叶轮转动,与叶轮主轴直接相连的泵排出高压油,驱动液压马达转动,马达带动发电机旋转发电,风电液压增速传动系统原理图,如图1所示。应用于液压式风力发电机的液压泵,工作在低速重载的工况,采用环形凸轮-柱塞滚子结构,实现低速大扭矩传递;采用数字插装阀进行配流,提高偏载条件下泵的效率。将多个功率一致的径向柱塞泵沿风力机主轴并排分布,能成倍的增加传递功率。在环形凸轮的驱动下,柱塞以既定的运动规律往复运动,在主轴旋转一周内实现多次吸油和排油,将风能转化为压力能,实现低速大功率的能量传递和转化。采用数字插装阀配流的、以简谐运动规律设计的低速大功率径向柱塞泵的基本结构,如图2所示。3柱塞泵能量传递动态特性分析在低速大功率柱塞泵中,能量经环形凸轮->多柱塞->数字插装阀->出口管道传递,实现风能向液压能的转换。对涉及能量传递转换的构件展开分析,建立环形凸轮、柱塞腔内压力、柱塞腔内吸排油流量、泵进出口流量、泵柱塞副的泄漏流量、插装阀阀芯运动的动态模型。根据柱塞泵能量传递规律,分析各动态模型的关系,实现泵机液耦合模型的建立。通过模型的数值求解,获得泵的动态压力和流量等特性。3.1圆形凸面的数学建模凸轮驱动环布四周的柱塞做往复运动,其力平衡方程,如式(1)所示。式中:J3.2柱塞的数学建模3.2.1柱塞的动态静静态分析以排油方向作为柱塞运动的正方向,建立局部坐标系,则柱塞上的作用力可表示为:式中:m3.2.2柱塞流特性建模国内外研究机构在柱塞泵的流动特性建模方面展开大量的研究。文献式中:p由机械设计手册式中:d3.3插装阀的数学建模3.3.1插销阀芯的动态静度分析在控制系统的作用下,插装阀配合柱塞运动,对柱塞进行配流。在任意运动瞬时,阀芯受力可表示为:式中:m3.3.2插装阀通流面积的计算以节流方程描述插装阀的进出口流量,并考虑流量倒灌的影响式中:C式中:ρ—流体密度;ρ进出口阀的通流面积与阀芯位置有关,根据圆形凸台的侧面积计算公式,求解插装阀的通流面积式中:A—插装阀通流面积;β—阀座倒角;d为避免压力正负超调的影响,在低速大功率径向柱塞泵中通过数字插装阀的延迟开启或关闭,实现油液的预压或减压。式中:x3.3.3出口压力的恒压假设柱塞泵出口流量为各个柱塞流量之和,经管道将高压油输送到马达中。由液压传动原理图(图1)可知,在控制系统的作用下,出口管路中的蓄能器抑制管路的流量脉动,并根据高压管路中的流量实时调整液压马达的排量,维持出口压力的恒定,因此假定出口压力为定值。4径向柱塞泵的模拟分析4.1径向柱塞泵的仿真模型建立根据能量传递路径和各构件的机液耦合数学模型,利用MATLAB的M文件编写程序,建立径向柱塞泵的仿真模型,如图3所示。用复化Simpson求积公式对所涉及的积分进行数值求解。通过数值计算,得到额定工况下柱塞腔内的压力变化规律和泵的出口流量脉动。4.2腔内瞬变流场特性分析对柱塞泵排数为2、单排泵柱塞数为62、凸轮作用次数为18次、额定压力为20MPa的5MW径向柱塞泵展开分析,求解其在转速为12r/min的工况下,往复运动一次的流体特性变化规律,径向柱塞泵的仿真参数,如表1所示。柱塞的运动周期为0.2778s,仿真结果,如图4所示。以初始位置为下死点位置的柱塞展开腔内瞬变流场参数分析。在一个运动周期内,柱塞腔内最低压力为12660Pa,高于一般矿物油的饱和蒸汽压(6~2000)Pa腔内无效容积的残余压力使柱塞对主轴的反作用力矩值出现负值,因此在风力机的变速控制中,需要考虑腔内无效容积的影响。在力矩变化规律图中,正值表示反作用力矩方向与主轴驱动力矩方向相反,负值相同。柱塞泵的主轴转矩脉动与柱塞运动规律有关,总体以正弦规律进行变化,总体脉动周期为0.2778s;主轴转矩存在局部脉动,局部脉动周期与柱塞数n、凸轮作用次数z、凸轮转速有关ω,脉动周期为0.009s。柱塞泵的出口流量受柱塞运动、以及流量倒灌或冲击的影响。出口平均流量为0.2607m进一步分析可知,主轴转矩总体脉动周期为2π/(ωz);主轴转矩局部脉动、柱塞泵出口流量脉动周期为2πm/(nωz),其中m为柱塞数n与凸轮作用次数z的最大公约数。柱塞运动规律影响主轴转矩整体变化规律、以及柱塞腔内进出流量的变化规律。5柱塞腔内压力瞬变规律对应用于风力发电的低速大功率径向柱塞泵,展开机液耦合建模与仿真分析,得到柱塞泵在额定工况下的动态特性,主要结论如下:(1)利用模型的数值求解,能识别柱塞腔内压力瞬变规律,获得柱塞泵的出口流量脉动的规律,为风力机的变速恒频控制提供参考。(2)柱塞从动件运动规律显著影响柱塞泵主轴转矩脉动规律,和柱塞腔内流量脉动规律,主轴转