基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李華聰，符江鋒

（西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

基于AMESim的航空燃油柱塞泵特性仿真

佘增玲，李華聰，符江鋒

（西北工業大學動力與能源學院，西安710072）

針對柱塞傾斜安裝的某型航空燃油柱塞泵進行運動學分析，首先基于坐標互換法建立柱塞運動方程，然后采用AMESim軟件構建柱塞泵模型，最后仿真分析柱塞傾角和轉子轉速對柱塞泵運動特性、流量特性及壓力特性的影響。仿真結果表明，相同工況下柱塞傾角對流量的影響小于轉子轉速，但斜柱塞結構能增大柱塞行程，增加泵的供油量，適度改善柱塞泵的流量脈動情況。

航空燃油柱塞泵；斜柱塞；流量脈動；泵壓力；AMESim建模

1 引 言

目前，我國航空發動機［1］在燃油控制系統中，普遍采用斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵。國內有關柱塞平行安裝的軸向柱塞泵相關理論已比較成熟，而對斜柱塞泵主要是測繪仿制，還沒有形成完整的理論體系和設計體系。因而，對柱塞傾斜安裝的航空燃油柱塞泵［2-3］進行仿真研究具有重要的理論意義與實際應用價值。

AMESim作為一款非常優秀的仿真軟件，為流體、機械、控制和電磁等工程系統提供了一個較為完善的綜合仿真環境和解決方案，已成功應用于航空發動機系統設計與仿真領域。

以航空領域所采用的斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵為仿真研究對象，首先對柱塞泵進行運動學分析［4］，然后采用AMESim軟件建立柱塞泵仿真模型，最后在分析柱塞泵運動特性的基礎上，進一步研究柱塞傾角和轉子轉速對流量特性及壓力特性的影響。仿真結果期望為航空燃油柱塞泵的結構優化提供相應理論依據。

2 運動學分析

斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵的結構如圖1所示。由圖可知，柱塞泵的基本組成元件有柱塞、滑靴、斜盤、轉子和分油盤等。柱塞泵通常在轉子中裝配由多個柱塞組成的柱塞陣列，斜盤主要用于控制柱塞位移，進而調節液壓油的輸出流量。當轉子旋轉時，柱塞泵從供油區吸油，然后把油壓入高壓回路，這樣導致連續的液壓油輸出。

首先基于圖2所示的坐標系，采用直角坐標與球坐標互換的方法，推導柱塞運動方程，為后文的仿真分析提供理論依據。

圖1 斜柱塞斜盤式軸向柱塞泵

圖2 直角坐標系

坐標系中：

O：柱塞軸線與轉子軸線的交點；

Z：轉子軸線，指向斜盤為正；

X：在起始平面上，過原點O垂直于Z軸，向下死點一側為正；

Y：過原點O垂直于Z軸和X軸，朝吸油側為正；

R：斜盤球形工作面半徑。

柱塞球心C點在轉子旋轉過程中的運動軌跡始終在以L為半徑的球面上，如圖3所示。柱塞在轉子旋轉過程中始終在以OA為旋轉軸線，過原點O與轉子軸線夾角為θ的射線為母線形成的錐面上。

在直角坐標系下，柱塞所在錐面方程為：

柱塞球心C所在球面方程為：

其中，l、m、k為斜盤與保持架的球心O1坐標，L為斜盤球面中心O1至柱塞球頭中心C的距離。

根據圖2可得：

其中，a為柱塞錐頂點O至斜盤旋轉軸線A的距離；c為斜盤球面中心O1至斜盤旋轉軸線A的距離；φ為斜盤傾角。

將直角坐標系轉化為球面坐標系

將式（4）代入式（2）可得ρ方程，進而可求得柱塞位移方程如下：

其中，ρ0為α＝0°時的ρ值。

對式（5）進一步求導可得柱塞相對運動速度及加速度。

圖3 球面坐標系

3 柱塞泵模型建立

AMESim是一種新型的基于圖形化的工程應用仿真軟件，用于模擬控制對象的真實建模環境。該軟件在建立液壓系統的數學模型時，充分考慮了液壓油的物理特性及液壓元件的非線性特性。仿真亦選取了AMESim作為平臺，對航空燃油柱塞泵進行建模研究［5］。

3.1 單個柱塞模型

基于第2節柱塞運動分析所建立的單個柱塞模型如圖4所示，其中關聯了柱塞傾角、斜盤傾角和轉子轉速等。左側分別為斜盤傾角信號、柱塞傾角信號和轉子轉速信號，右側為液壓油進油口和出油口。

3.2 燃油柱塞泵模型

將單個柱塞模型進行封裝，利用AMESim軟件提供的超級元件工具，建立柱塞的標準模型，然后進行相關參數設置，得到燃油柱塞泵完整的仿真模型。

圖4 單個柱塞模型

圖5為所建立的某型航空燃油柱塞泵完整模型，包含柱塞運動模型、分油盤模型、柱塞腔模型、轉子模型和斜盤模型。

圖5 燃油柱塞泵模型

4 仿真與分析

在前文所建立的運動方程和燃油柱塞泵模型基礎上，通過設置柱塞泵的結構參數，調節柱塞傾角和轉子轉速［6］，計算仿真燃油柱塞泵在一定工況下的運動特性、流量特性及壓力特性。

4.1 仿真參數

以某型航空燃油柱塞泵為實驗對象，所選取的柱塞泵結構參數如表 1所示。在進口壓力為0.3Mpa，節流嘴后壓力為0.5Mpa、等效節流嘴直徑為7.5mm條件下對柱塞泵進行仿真分析。

表1 柱塞泵結構參數

其中，a為柱塞錐頂點至斜盤旋轉軸線A的距離；c為斜盤球面中心至斜盤旋轉軸線A的距離；L為斜盤球面中心至柱塞球頭中心C的距離。

4.2 運動特性

柱塞泵的轉速恒定及外部節流孔面積不變，而柱塞傾角在13°-15°范圍內變化時，柱塞傾角對柱塞運動特性的影響如圖6和圖7所示。由仿真結果可以看出，柱塞傾角增大，柱塞位移和速度也相應升高，位移和速度均符合柱塞泵正弦運動變化規律。

4.3 流量特性

設定斜盤傾角為13.5°，轉子轉速為4330r／min，泵在不同柱塞傾角時的出口流量曲線如圖8，由上至下依次為柱塞傾角為15°、14°、13°時的出口流量曲線。固定斜盤傾角為13.5°，柱塞傾角為15°，泵在不同轉子轉速下的流量曲線如圖9。

圖6 柱塞位移曲線

圖7 柱塞速度曲線

圖8 柱塞傾角對流量的影響

圖9 轉子轉速對流量的影響

由圖8可看出，柱塞傾角在13°、14°、15°下泵的最大供油量分別為257L／min、276L／min、295L／min，柱塞泵柱塞傾角增大，流量相應增大。在柱塞傾角小于20°時，其流量脈動增大不明顯，幾乎可以忽略。由圖9可見，隨著轉子轉速升高，柱塞泵流量相應增大，其流量脈動情況明顯高于柱塞傾角的影響。由此可推論，柱塞傾角對提高柱塞泵性能起到了積極作用。在柱塞泵特定的大流量設計目標下［7］，通過增大柱塞傾角能有效降低對轉子轉速的高要求，一定程度上改善流量脈動情況。另一方面，柱塞傾斜能安裝在錐形缸體中，也有利于減少柱塞泵整體質量和體積。但柱塞傾角也不宜設置過大，不然會使柱塞與斜盤面的接觸角過小，使兩者接觸應力增大，加速接觸部分材料的損耗速度。

4.4 壓力特性

柱塞泵的流量脈動會引起壓力脈動，是其噪聲來源之一，進而影響整個系統的穩定性。在與4.3節相同的工況下，柱塞傾角對泵后壓力的影響如圖10所示。柱塞傾角在13°、14°、15°下泵后壓力分別為79bar、91bar、103bar，柱塞傾角增大，流量增大，與實際柱塞泵的工作原理相符。轉子轉速對泵后壓力的影響如圖11所示。由仿真曲線可以看出，由于轉速增大，流量增大，節流嘴直徑和出口壓力不變的情況下，泵后壓力也增大，其壓力脈動增加幅度比柱塞傾角影響要大。

圖10 柱塞傾角對泵后壓力的影響

圖11 轉子轉速對泵后壓力的影響

5 結束語

對柱塞傾斜安裝的某型航空燃油柱塞泵進行了運動學分析，采用AMESim工程軟件建立了其系統原型，最后實驗了柱塞傾角和轉子轉速對柱塞泵運動特性、流量特性和壓力特性的影響。仿真可得如下結論：

（1）實驗論證了采用坐標互換法建立的柱塞運動方程的正確性及有效性。 （2）相同工況下，柱塞傾角能增大柱塞行程，提高柱塞泵流量。

（3）增大柱塞傾角和轉子轉速都會引起泵后壓力的增加，壓力脈動也隨之增大。

（4）增大柱塞傾角引起的流量脈動和壓力脈動變化小于轉子轉速提高所引起的變化，因此在柱塞泵大流量設計目標下，一定程度的增大柱塞傾角，能有效抑制流量脈動，提高柱塞泵的性能。

以上仿真結果為航空燃油柱塞泵進一步結構優化提供了理論依據。

［1］樊思齊.航空發動機控制（上冊）［M］.西安：西北工業大學出版社，2008.

［2］陳永琴.航空燃油柱塞泵運動學與動力學特性分析研究［D］.西安：西安電子科技大學，2011.

［3］蒲志理.航空油泵設計［M］.北京：國防工業出版社，1983.

［4］Zhiru Shi，Gordon Parker，Jonathan Granstrom.Kinematic Analysis of a Swash-Plate Controlled Variable Displacement Axial-Piston Pump With a Conical Barrel Assembly［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement，and Control.2010，132：1-8.

［5］符江鋒.航空發動機燃油柱塞泵計算機輔助設計方法［J］.計算機仿真，2012，29（3）：153-157.

［6］劉明明，石宏，黃笑飛，等.柱塞傾角對航空柱塞泵性能的影響分析［J］.沈陽航空航天大學學報，2011，28（5）：18-22.

［7］劉鋒.柱塞式燃油泵多目標結構優化［D］.南京：南京航空航天大學，2008.

Characteristics Simulation of Aero-engine Fuel Piston Pump Based on AMESim

SHE Zeng-ling，LIHua-cong，FU Jiang-feng
（School of Power and Energy，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

The kinematics analysis is carried out on an aero-engine fuel piston pump with inclined pistons assembly.First，a piston kinematic equation is established based on coordinate transformation.And then，the piston pump model is established by AMESim.Finally，the effect of the different piston inclination angle or rotor speed performed on the characteristics of kinematic，flow and pressure of the pump are analyzed.The results show that the effect of the piston angle performed on the flow range is less than the rotor speed under the same operating condition，but，the pump with inclined piston has greater piston stroke and fuel delivery and reduces the flow ripple scale reasonably.

Aero-engine fuel piston；Inclined piston；Flow ripple；Pumping pressure；AMESim modeling

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.026

V228.1；TP391.9

：A

：1002-2279（2014）04-0083-04

佘增玲（1989-），女，湖南衡陽人，碩士研究生，主研方向：航空發動機控制。

2013-12-05