摘 要：特别针对开关电源式表达式柱塞泵在高温旋转磁场下开关电源阀迈入阻力相对较低的难题，透过AMESim和Flunet应用软件展开模拟预测，得出结论了冷却液环境温度和控制阀油道是引发开关电源阀迈入阻力相对较低的主要就其原因，最终，透过测试校正了有关推论的精确性。

关键字：开关电源式表达式柱塞泵；高温；AMESim；Fluent

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前言

开关电源式表达式泵常用做液压伺服系统的开关电源源，为整个系统输出持续的流量和阻力，对系统的调节品质和稳定性有很大关系，要求在不同环境中，其调节机构能有良好的稳定性和响应性。

某型开关电源式表达式柱塞泵在外场随主机调试过程中，出现了冷却液环境温度较低时，液压泵开关电源设定值相对较低的现象，当冷却液环境温度上升后，其开关电源设定值也随之下降。为解决此难题，运用AMESim、Flunet模拟预测和测试校正等方法，解决该液压泵在高温时开关电源设定值相对较低的现象，并提出具体改进措施。

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概述

1.1开关电源控制原理

开关电源表达式机构是根据泵出口阻力与表达式机构阻力设定值的差值调节输出流量，保持泵出口阻力为一恒定值。液压泵结构如图1所示，表达式原理图如图2所示。

1-高压弹簧 2-斜盘回位弹簧 3-回位活塞

4-斜盘 5-表达式活塞 6-开关电源控制阀

图1液压泵结构

图2 表达式原理图

如图1、图2所示，开关电源控制主要就机构包括开关电源阀、表达式活塞和回位活塞，其工作原理为：

初始时，阻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，表达式活塞腔的冷却液透过控制阀流向泵壳体内腔。

随着负载阻力的升高，到达零流量阻力，此时，控制阀阀芯打开，阻力控制阀工作在右位，出口阻力油进入表达式活塞腔，使得表达式活塞推动斜盘，让泵工作在零排量（小排量），从而实现了液压泵的开关电源控制。

1.2 外场故障现象

产品在高温测试时，当整个系统处于-40℃时，启动系统，当液压泵出口阻力达到开关电源表达式点时，出口阻力要高于常温下的液压泵开关电源设定值2MPa；当大约1分钟后，泵出口阻力逐渐恢复到常温开关电源设定值。

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故障因素AMESim模拟预测

2.1 AMESim模型搭建

根据液压泵开关电源控制原理，运用AMESim液压元件设计库HCD建立模拟模型，如图3所示。

图3 模拟模型

液压泵控制模型主要就参数参考泵有关零件设计尺寸设置，保证了模拟模型与实际产品的一致性。

2.2 原理预测

由于液压泵出口阻力超调是在高温下出现，当液压泵运转大约1分钟后消失，此时，冷却液环境温度已迅速上升至常温状态。所以，出现此现象的可能其原因为：当冷却液环境温度变化时，其黏度会出现较大的波动，而冷却液黏度会负面影响泵控制机构的稳定性。

2.3 模拟计算

当冷却液环境温度不同时，其黏度会发生较大的变化，查阅《液压技术手册》，得到不同环境温度下的冷却液黏度值，如表1所示。

表1 不同环境温度下的冷却液黏度

注：冷却液密度=833kg/m3，忽略环境温度对冷却液弹性模量的负面影响。

冷却液环境温度为40℃时，冷却液动力黏度为11.7cp，调定液压泵开关电源值为18.04 MPa，开关电源表达式曲线如图4所示。

图4 油温40℃时开关电源表达式曲线

保持AMESim模型其他参数不变，调整冷却液环境温度为-40℃时，冷却液动力黏度为306.6 cp，开关电源表达式曲线如图5所示。

图5 油温-40℃时开关电源表达式曲线

由图5可知，液压泵开关电源设定值变为18.21MPa,较冷却液环境温度为40℃时上升0.17MPa。

由AMESim模拟模型可知，冷却液环境温度下降，即油黏度增大时，液压泵开关电源设定值会呈上升趋势。

为校正AMESim模拟模型的准确性，搭建Fluent流场模拟模型，分别预测计算40℃和-40℃时，阻力冷却液对表达式活塞的作用力变化情况。

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流场模拟预测

3.1流场模拟模型搭建

利用流场模拟应用软件搭建液压泵控制机构流场模拟模型，计算不同环境温度下表达式活塞受力情况，模型见图6。

图6 液压泵控制机构流场模拟模型

3.2 模拟计算

以-40℃和40℃两种环境温度为例，分别计算冷却液黏度不同时，表达式活塞推力的变化情况，计算结果如表2所示。

表2 不同黏度表达式活塞推力的变化情况

计算结果表明，冷却液环境温度（黏度）会负面影响表达式活塞底部推力，即表达式活塞底部推力在冷却液环境温度低时较小，在冷却液环境温度高时较大，差值为13 N。这就意味着，液压泵在高温时，表达式活塞底部需要更大的力才能将泵斜盘推至零流量状态。

液压泵出口阻力油经过控制阀节流作用后到达表达式活塞底部，如果表达式活塞底部的推力增加了，那必然是液压泵出口阻力升高导致的结果。当液压泵出口阻力升高时，控制阀阀口开度增加，则到达表达式活塞底部的阻力就会增大；当冷却液环境温度上升后，表达式活塞底部需要的推力就会减小，此时，液压泵出口阻力就会下降，液压泵开关电源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。

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表达式活塞优化改进

液压泵表达式活塞结构如图7所示。

图7 液压泵表达式活塞结构

阻力冷却液由液压泵出口经过控制阀后，透过活塞套筒上的小孔，到达间隙间隙1所示位置，此时，阻力冷却液流向两个方向，一是透过间隙2后，流向泵内腔，形成回油；二是作用在表达式活塞底部使液压泵表达式。

考虑到该结构中间隙1和表达式活塞底部倒角过小，可能会阻碍阻力冷却液流向表达式活塞底部，对表达式活塞展开了优化改进，增加通油面积和阻力冷却液作用面积，使得表达式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

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改进后模拟预测计算

仍然以-40℃和40℃两种环境温度为例，分别计算冷却液黏度不同时，改进后表达式活塞推力的变化情况，计算结果如表3所示。

表3 改进后表达式活塞推力的变化情况

计算结果表明，使用改进结构后的表达式活塞会使液压泵在40℃和-40℃下的活塞推力均有所增大，并且两种环境温度下的推力差值仅为0.4 N。这说明使用该结构的表达式活塞后，液压泵受冷却液环境温度变化的负面影响较小。

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校正测试

为校正措施有效性，加工了如图8所示的表达式活塞测试件，更换液压泵原有表达式活塞后展开高温启动测试。

测试时，整个系统处于-40℃的环境中，两台产品的启动阻力曲线如图9、图10所示。

由图9、图10可见，产品1高温下启动的开关电源值峰值为19.5MPa，比更换表达式活塞前减小约1MPa；产品2高温下启动的开关电源值峰值为18.6MPa，比更换表达式活塞前减小约2MPa。

图9 产品1启动阻力曲线

图10 产品2启动阻力曲线

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推论

改进表达式活塞后的产品比原状态产品在高温启动时的开关电源值下降（1～2）MPa，说明该改进结构的表达式活塞能有效消除该型液压泵在高温下启动时的阻力超调现象。

参考文献

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该文刊登于我刊2021年第1期

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