AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究

技术哥 2023年1月13日浏览：1468 收藏：2

第一作者简介： 刘雨（1990-），男，贵州遵义人，工程师，硕士，主要从事液压泵及马达的研发设计工作，就职于中航力源液压股份有限公司。

摘要： 为了对某型号轴向柱塞变量泵两级压力+卸荷控制（PCX）系统进行设计，基于AMESim软件搭建了PCX控制仿真模型，对PCX控制的工作原理及相关参数的影响进行分析，得出了节流孔尺寸是影响PCX控制性能优劣的关键，最后，通过样机试验验证了相关设计参数的正确性。

关键词： PCX；控制特性；AMESim

引言

压力控制作为轴向柱塞变量泵常用的控制方式之一，其广泛应用于工程机械、航空航天等液压系统中。主机在不同的工况下，其所需要的工作压力不同，特别是存在多种动作的主机，轴向柱塞变量泵除了在输出大推力或大扭矩时需要较高的压力外，其他工况所需的压力级别较低。当液压系统工作压力与工作所需压力不匹配时，会导致液压系统能耗增大，油温升高，进而降低液压元件的使用寿命。同时，在主机工作循环的间歇，如果液压系统一直维持较高压力，则会进一步加剧功率损耗和系统发热，而电机频繁启动又会降低电机的寿命。因此,对轴向柱塞变量泵两级压力+卸荷控制（PCX）特性进行研究具有重要意义。

PCX控制原理

轴向柱塞变量泵PCX控制原理图如下：

如图1所示，PCX控制系统主要由变量泵、电磁换向阀、溢流阀、流量阀、恒压阀和三个节流孔组成。其工作原理如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图1

1.变量泵 2.回位活塞 3.变量活塞

4.电磁换向阀 5.溢流阀 6.流量阀

7.恒压阀 8.节流孔1

9.节流孔2 10.节流孔3

图1 PCX控制原理图

（1）卸荷控制：当电磁换向阀不得电时，电磁换向阀处于中位，高压油口P与回油口T接通。当变量泵不工作时，变量泵在回位弹簧的作用下处于大排量状态，此时，高压油通过节流孔3，一路油经电磁换向阀回油箱，一路油与流量阀右端接通且经节流孔1回油箱，当变量泵出口压力与节流后压差达到流量阀开启压差时，流量阀处于左位，变量活塞与出口高压油沟通，由于变量活塞与回位活塞存在面积差，变量活塞推动斜盘摆角减小以使得出口压力维持在流量阀开启压差附近。

（2）一级压力控制：当电磁换向阀得电，电磁换向阀处于A位时，高压油口P与B口接通。当变量泵不工作时，变量泵在回位弹簧的作用下处于大排量状态，高压油经节流孔3后通过电磁换向阀与溢流阀接通。当出口压力达到溢流阀设定压力时，流量阀右端压力为溢流阀设定压力，出口压力继续增大至节流孔3两端压差大于流量阀开启压差时，流量阀处于左位，变量活塞与出口高压油沟通，由于变量活塞与回位活塞存在面积差，变量活塞推动斜盘组件摆角减小以使得出口压力=溢流阀设定压力+流量阀开启压差。

（3）二级压力控制：当电磁换向阀得电，电磁换向阀处于B位时，高压油口P与A口接通，A口处于堵死状态。当变量泵不工作时，变量泵在回位弹簧的作用下处于大排量状态，高压油经节流孔3后只能通过节流孔1回油箱，由于节流孔3两端压差不能达到流量阀开启压差，使得流量阀一直处右位，当出口压力达到恒压阀设定压力时，恒压阀处于左位，变量活塞与出口高压油沟通，由于变量活塞与回位活塞存在面积差，变量活塞推动斜盘组件摆角减小以使得出口压力维持在恒压阀开启压力左右。

AMESim仿真模型搭建

根据PCX控制原理图，基于AMESim软件建立如下仿真模型：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图2

图2 PCX控制仿真模型

如图所示，采用节流加载方式，溢流阀泄漏与电磁换向阀泄漏均采用节流孔进行模拟，相关参数设置如下：

表1 PCX控制仿真模型主要参数

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图3

仿真分析

3.1 控制性能仿真

当电磁换向阀处于中位时，加载阀逐渐关死，泵出口流量及压力曲线如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图4

图3 卸荷工况流量-压力曲线

如图3所示，当出口压力未达到卸荷压力时，泵处于全流量输出状态，随着加载阀的逐渐关闭，泵出口压力不断增大，当达到流量阀开启压力时，流量阀工作，泵输出流量从69 L/min降低至维持泄漏所需流量3.2 L/min左右，此时最大出口压力为2.56 MPa，比流量阀设定压差高0.56 MPa，这主要是控制系统管阻导致。

当电磁换向阀处于A位时，加载阀逐渐关死，泵出口流量及压力曲线如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图5

图4 一级压力控制工况流量-压力曲线

如图4所示，当出口压力未达到设定压力时，泵处于全流量输出状态，当出口压力达到22.2MPa时，流量阀两端压差达到2MPa，流量阀处于左位，泵排量减小以维持出口压力恒定，故一级设定压力=溢流阀设定压力+流量阀开启压差。

当电磁换向阀处于B位时，加载阀逐渐关死，泵出口流量及压力曲线如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图6

图5 二级压力控制工况流量-压力曲线

如图5所示，当出口压力未达到恒压阀切断压力时，泵处于全流量输出状态，当出口压力达到28 MPa时，恒压阀开启，泵排量减小以维持出口压力恒定。

综上所述，性能仿真结果与控制原理预期结果基本吻合，仿真模型具有很高可信度。

3.2 节流孔1的影响

节流孔1孔径不同时，控制系统压力变化曲线如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图7

图6 节流孔1不同孔径出口压力曲线

如图6所示，卸荷工况下，节流孔1孔径越大，其卸荷压力越低，这主要是由于系统管阻降低导致；一级压力控制下，节流孔1孔径越大，其出口压力越低，一级压力控制失效，这主要是由于节流孔1孔径较大时，通过节流孔1的流量增大，节流孔3两端压差增大至流量阀开启压差时，流量阀提前工作而导致控制失效；同理，在二级压力控制时，节流孔3两端压差提前达到流量阀开启压差，使得流量阀提前工作而导致二级压力控制失效，故节流孔1孔径存在最优设计，过大容易导致流量阀提前工作而使得压力控制失效，过小使得卸荷压力较高，系统能耗增大。

3.3 节流孔3的影响

当节流孔3孔径不同时，控制系统压力变化曲线如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图8

图7 节流孔3不同孔径出口压力曲线

如图7所示，卸荷控制时，节流孔3孔径越大，其卸荷压力越高，这主要是由于孔径越大其达到流量阀开启压力所需的流量越大，进而使得系统管阻增大；一级压力控制下，节流孔3孔径较小时，节流孔两端压差提前达到流量阀开启压差，使得一级压力控制失效，而节流孔3孔径较大时，节流孔3两端压差不能达到流量阀开启压差，一级压力控制失效；同理，二级压力控制下，节流孔3孔径较小时，节流孔两端压差提前达到流量阀开启压差，使得二级压力控制失效；故节流孔3孔径存在最优设计，过小容易导致流量阀提前工作而使得压力控制失效，过大使得卸荷压力较高，系统能耗增大。

试验验证

根据以上仿真分析，对某型号轴向柱塞变量泵PCX控制进行设计，其结构示意图如下：

AMESim轴向柱塞变量泵PCX控制特性研究的图9