1.1 恒壓控制原理

恒壓變量機構是根據泵出口壓力與變量機構壓力設定值的差值調節輸出流量，保持泵出口壓力為一恒定值。液壓泵結構如圖1所示，變量原理圖如圖2所示。

1-高壓彈簧 2-斜盤回位彈簧 3-回位活塞

4-斜盤 5-變量活塞 6-恒壓控制閥

圖1 液壓泵結構

圖2 變量原理圖

如圖1、圖2所示，恒壓控制主要機構包括恒壓閥、變量活塞和回位活塞，其工作原理為：

初始時，壓力控制閥工作在左位，液壓泵在回位活塞彈簧的作用下回到最大排量。此時，變量活塞腔的油液通過控制閥流向泵殼體內腔。

隨著負載壓力的升高，到達零流量壓力，此時，控制閥閥芯打開，壓力控制閥工作在右位，出口壓力油進入變量活塞腔，使得變量活塞推動斜盤，讓泵工作在零排量（小排量），從而實現了液壓泵的恒壓控制。

1.2 外場故障現象

產品在低溫測試時，當整個系統處于-40℃時，啟動系統，當液壓泵出口壓力達到恒壓變量點時，出口壓力要高于常溫下的液壓泵恒壓設定值2MPa；當大約1分鐘后，泵出口壓力逐漸恢復到常溫恒壓設定值。

2.1 AMESim模型搭建

根據液壓泵恒壓控制原理，運用AMESim液壓元件設計庫HCD建立仿真模型，如圖3所示。

圖3 仿真模型

液壓泵控制模型主要參數參考泵相關零件設計尺寸設置，保證了仿真模型與實際產品的一致性。

2.2 原理分析

由于液壓泵出口壓力超調是在低溫下出現，當液壓泵運轉大約1分鐘后消失，此時，油液溫度已迅速上升至常溫狀態。所以，出現此現象的可能原因為：當油液溫度變化時，其黏度會出現較大的波動，而油液黏度會影響泵控制機構的穩定性。

2.3 仿真計算

當油液溫度不同時，其黏度會發生較大的變化，查閱《液壓技術手冊》，得到不同溫度下的油液黏度值，如表1所示。

表1 不同溫度下的油液黏度

注：油液密度=833kg/m3，忽略溫度對油液彈性模量的影響。

油液溫度為40℃時，油液動力黏度為11.7cp，調定液壓泵恒壓值為18.04 MPa，恒壓變量曲線如圖4所示。

圖4 油溫40℃時恒壓變量曲線

保持AMESim模型其他參數不變，調整油液溫度為-40℃時，油液動力黏度為306.6 cp，恒壓變量曲線如圖5所示。

圖5 油溫-40℃時恒壓變量曲線

由圖5可知，液壓泵恒壓設定值變為18.21MPa,較油液溫度為40℃時上升0.17MPa。

由AMESim仿真模型可知，油液溫度下降，即油黏度增大時，液壓泵恒壓設定值會呈上升趨勢。

為驗證AMESim仿真模型的準確性，搭建Fluent流場仿真模型，分別分析計算40℃和-40℃時，壓力油液對變量活塞的作用力變化情況。

利用流場仿真軟件搭建液壓泵控制機構流場仿真模型，計算不同溫度下變量活塞受力情況，模型見圖6。

圖6 液壓泵控制機構流場仿真模型

3.2 仿真計算

以-40℃和40℃兩種溫度為例，分別計算油液黏度不同時，變量活塞推力的變化情況，計算結果如表2所示。

表2 不同黏度變量活塞推力的變化情況

計算結果表明，油液溫度（黏度）會影響變量活塞底部推力，即變量活塞底部推力在油液溫度低時較小，在油液溫度高時較大，差值為13 N。這就意味著，液壓泵在低溫時，變量活塞底部需要更大的力才能將泵斜盤推至零流量狀態。

液壓泵出口壓力油經過控制閥節流作用后到達變量活塞底部，如果變量活塞底部的推力增加了，那必然是液壓泵出口壓力升高導致的結果。當液壓泵出口壓力升高時，控制閥閥口開度增加，則到達變量活塞底部的壓力就會增大；當油液溫度上升后，變量活塞底部需要的推力就會減小，此時，液壓泵出口壓力就會下降，液壓泵恒壓設定值也會恢復到正常值，這與液壓泵在外場出現的故障現象是一致的。

液壓泵變量活塞結構如圖7所示。

圖7 液壓泵變量活塞結構

壓力油液由液壓泵出口經過控制閥后，通過活塞套筒上的小孔，到達間隙間隙1所示位置，此時，壓力油液流向兩個方向，一是通過間隙2后，流向泵內腔，形成回油；二是作用在變量活塞底部使液壓泵變量。

考慮到該結構中間隙1和變量活塞底部倒角過小，可能會阻礙壓力油液流向變量活塞底部，對變量活塞進行了優化改進，增加通油面積和壓力油液作用面積，使得變量活塞在相同油壓作用下，獲得更大的推力，改進后結構如圖8所示。

圖8 改進后的結構

仍然以-40℃和40℃兩種溫度為例，分別計算油液黏度不同時，改進后變量活塞推力的變化情況，計算結果如表3所示。

表3 改進后變量活塞推力的變化情況

計算結果表明，使用改進結構后的變量活塞會使液壓泵在40℃和-40℃下的活塞推力均有所增大，并且兩種溫度下的推力差值僅為0.4 N。這說明使用該結構的變量活塞后，液壓泵受油液溫度變化的影響較小。

為驗證措施有效性，加工了如圖8所示的變量活塞試驗件，更換液壓泵原有變量活塞后進行低溫啟動試驗。

試驗時，整個系統處于-40℃的環境中，兩臺產品的啟動壓力曲線如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可見，產品1低溫下啟動的恒壓值峰值為19.5MPa，比更換變量活塞前減小約1MPa；產品2低溫下啟動的恒壓值峰值為18.6MPa，比更換變量活塞前減小約2MPa。

圖9 產品1啟動壓力曲線

圖10 產品2啟動壓力曲線

以上仿真計算結果和驗證測試結果表明，變量活塞底部間隙1(見圖7)影響液壓泵低溫啟動時壓力超調的主要因素。

改進變量活塞后的產品比原狀態產品在低溫啟動時的恒壓值下降（1～2）MPa，說明該改進結構的變量活塞能有效消除該型液壓泵在低溫下啟動時的壓力超調現象。