[发明专利]一种耦合计算恒压柱塞泵压力、流量和温度的方法

摘要

本发明提出一种耦合计算恒压柱塞泵压力、流量和温度的方法，在计算模型中包含了恒压柱塞泵内油液的压力、流量和温度之间的相互耦合影响关系，提高了计算结果的精度和准确度，从而能更真实、准确地反映恒压柱塞泵的实际工作状况，能够实现较准确的液压系统热设计。

主权项

1.一种耦合计算恒压柱塞泵压力、流量和温度的方法，其特征在于：将恒压柱塞泵的工作过程按照时间序列等分为N个计算区间，每个计算区间的时间步长为Δt，计算总时长t_z＝N×Δt，第n个计算区间内包括以下步骤，其中1≤n≤N，且n为整数：步骤1：计算恒压柱塞泵中油液的物理特性，包括油液的动力黏度μ_n和油液的密度ρ_n：a、根据油液的动力黏度模型μn=μ0×10ψnψn=bpΔp+btΔT+bt2(ΔT)2Δp=pw-prefΔT=Tw-Trefpw=pi+pL,n2Tw=Ti,n+To,n2]]>计算油液的动力黏度μ_n，其中μ₀为油液初始压力p_ref和油液初始温度T_ref下的油液动力黏度，b_p为压力差对油液动力黏度的一次相关系数，b_t为温度差对油液动力黏度的一次相关系数，b_t2为温度差对油液动力黏度的二次相关系数，p_w为恒压柱塞泵的特征压力，T_w为恒压柱塞泵的特征温度，p_i为恒压柱塞泵的进口油液压力，p_L，n为恒压柱塞泵的负载油液压力，初始计算时使用设定值，当n＝1时，p_L，n的初始值取为1bar，当n＞1时，p_L，n的初始值选取为p_L，n-1，T_i，n为恒压柱塞泵的进口油液温度；T_o，n为恒压柱塞泵的出口油液温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_o，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_o，n的初始值选取为T_o，n-1；b、根据油液的密度模型ρn=1/vs,nvs,n=vs0(1+apΔp+ap2(Δp)2+atΔT+at2(ΔT)2+aptΔpΔT)Δp=pw-prefΔT=Tw-Trefpw=pi+pL,n2Tw=Ti,n+To,n2]]>计算油液的密度ρ_n，其中v_s，n为油液比容，v_s0为初始压力和初始温度下的油液比容，a_p为压力差对油液比容的一次相关系数，a_p2为压力差对油液比容的二次相关系数，a_t为温度差对油液比容的一次相关系数，a_t2为温度差对油液比容的二次相关系数，a_pt为压力差和温度差对油液比容的联合相关系数；步骤2：计算恒压柱塞泵的输出流量q_n：将步骤1得到的油液动力黏度μ_n代入输出流量模型qn=Dmωkn-ql,nkn=1pL,n≤pnpmax-pL,npmax-pn(1-ClpL,nωμn)+ClpL,nωμnpn<pL,n≤pmaxql,n=ClDmpL,nμn]]>计算得到恒压柱塞泵的输出流量q_n，其中D_m为恒压柱塞泵的排量，ω为恒压柱塞泵的输入转速，k_n为斜盘倾角系数，q_l，n为恒压柱塞泵的泄流流量，p_max为恒压柱塞泵的额定工作压力，p_n为恒压柱塞泵的调节压力，C_l为恒压柱塞泵的泄流系数；步骤3：根据步骤2得到的恒压柱塞泵的输出流量q_n以及恒压柱塞泵的外部负载特性计算恒压柱塞泵的负载油液压力p′_L，n；步骤4：计算步骤3中得到的负载油液压力p′_L，n与步骤1和步骤2中计算使用的负载油液压力p_L，n的差值，若差值的绝对值大于预定误差ε₁时，则重复步骤1至步骤4，并用步骤3计算得到的p′_L，n作为步骤1和步骤2中使用的负载油液压力进行迭代计算，若差值的绝对值小于预定误差ε₁，则将步骤3得到的负载油液压力p′_L，n作为以下步骤中使用的恒压柱塞泵负载油液压力p_L，n，并继续下面步骤；步骤5：将经过步骤1至步骤4循环计算后得到的油液动力黏度μ_n、密度ρ_n、斜盘倾角系数k_n和恒压柱塞泵的负载油液压力p_L，n代入功率损失模型，计算恒压柱塞泵的功率损失：a、根据公式计算恒压柱塞泵的流体动力损失功率P_d，n，其中C_d为流体动力损失系数；b、根据公式P_n，n＝C_nμ_nω²D_m计算恒压柱塞泵的粘性摩擦损失功率P_n，n，其中C_n为粘性摩擦损失系数；c、根据公式P_u，n＝C_up_L，nD_mω计算恒压柱塞泵的干摩擦损失功率P_u，n，其中C_u为干摩擦损失系数；d、根据公式P_c＝p_cD_mω计算恒压柱塞泵的常值摩擦损失功率P_c，其中p_c为常值摩擦损失系数；步骤6：计算恒压柱塞泵各部分的换热热流量：a、根据模型计算泄流油液与恒压柱塞泵转动部分的换热热流量其中k_r为泄流油液与转动部分的换热系数，A_r为泄流油液与转动部分的换热面积，T_r，n为恒压柱塞泵转动部分的温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_r，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_r，n的初始值选取为T_r，n-1，T_e，n为恒压柱塞泵回油口处的油液温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_e，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_e，n的初始值选取为T_e，n-1；b、根据模型计算泄流油液与恒压柱塞泵壳体部分的换热热流量其中k_s为泄流油液与壳体部分的换热系数，A_s为泄流油液与壳体部分的换热面积，T_s，n为恒压柱塞泵壳体部分的温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_s，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_s，n的初始值选取为T_s，n-1；c、根据模型计算恒压柱塞泵转动部分和壳体部分间的导热热流量其中k_rs为恒压柱塞泵转动部分和壳体部分间的导热系数，A_rs为恒压柱塞泵转动部分和壳体部分间的导热面积；d、根据模型计算恒压柱塞泵壳体部分同环境的辐射换热热流量其中ε为壳体材料的发射率，σ为黑体辐射常数，A为辐射换热面积；e、根据模型Q·exc,n=kexc,nAexc(Ts,n-Tenv)kexc,n=Nuexc,nλDexcNuexc,n=0.6+0.387{Ran[1+(0.559/Pr)]9/16}2Ran=gβn(Ts,n-Tenv)Dexc3v2Pr]]>计算恒压柱塞泵壳体部分同环境的自然对流换热热流量其中k_exc，n为壳体部分同环境的自然对流换热系数，A_exc为壳体部分同环境的自然对流换热面积，Nu_exc，n为壳体部分同环境自然对流换热的努赛尔数，λ为空气的导热系数，D_exc为换热计算的特征长度，Ra_n为换热计算的瑞利数，Pr为空气的普朗特数，g为重力加速度，β_n为空气的体积膨胀系数，且v为空气的运动黏度；步骤7：将步骤5和步骤6中得到的P_d，n、P_n，n、P_u，n、P_c、和带入温度微分求解模型，计算恒压柱塞泵各部分的温度：a、根据微分模型dTo,n′dt=1mocpo[Dmknωρndho,n+Pd,n+Pn,n+Dmknω(PL,n-pi)+T′o,nαVodpL,ndt]dho,n=cpo(Ti,n-T′o,n)+[2-α(Ti,n+T′o,n)](pi-pL,n)2ρndpL,ndt=pL,n-pL,n-1Δt]]>计算恒压柱塞泵的出口油液温度T′_o，n，其中以T_o，n-1作为微分模型中T′_o，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_o，n的计算初值，m_o为出口油液控制体内的油液质量，c_po为油液比热，dh_o，n为出口油液焓的变化，α为油液的体积膨胀系数，V_o为出口油液控制体的体积，当n＝1时，p_L，n-1取为1bar；b、根据微分模型dTe,n′dt=1mecpo[ql,nρndhe,n+Q·r,n+Q·s,n]dhe,n=cpo(To,n-T′e,n)+[2-α(To,n+T′e,n)](pL,n-pe)2ρn]]>计算恒压柱塞泵回油口处的油液温度T′_e，n，其中以T_e，n-1作为微分模型中T′_e，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_e，n的计算初值，m_e为回油油液控制体内的油液质量，dh_e，n为回油油液焓的变化，p_L，n为恒压柱塞泵的负载压力，p_e为恒压柱塞泵回油口处油液压力；c、根据微分模型计算恒压柱塞泵转动部分的温度T′_r，n，其中以T_r，n-1作为微分模型中T′_r，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_r，n的计算初值，m_r为恒压柱塞泵转动部分的质量，c_ps为恒压柱塞泵材料的比热；d、根据微分模型计算恒压柱塞泵壳体部分的温度T′_s，n，其中以T_s，n-1作为微分模型中T′_s，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_s，n的计算初值，m_s为恒压柱塞泵壳体部分的质量；步骤8：计算步骤7中得到的恒压柱塞泵的出口油液温度T′_o，n与步骤1和步骤7中计算使用的出口油液温度T_o，n的差值；若差值的绝对值大于预定误差ε₂，则重复步骤1至步骤8，并用步骤7中得到的T′_o，n、T′_e，n、T′_r，n和T′_s，n作为步骤1至步骤8中计算使用的T_o，n、T_e，n、T_r，n和T_s，n进行迭代计算，若差值的绝对值小于预定误差ε₂，则将步骤7得到的T′_o，n、T′_e，n、T′_r，n和T′_s，n作为经过该计算区间计算后T_o，n、T_e，n、T_r，n和T_s，n的计算结果；若n＜N则开始第n+1个计算区间的计算，当n＝N停止计算过程。