防止液压冲击基本回路的特性分析.pdf

2 0 1 4年 1 O月 第4 2卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S Oc t ． 2 0l 4 V0 1 ． 4 2 No ． 1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 9 ． 0 3 9 防止液压冲击基本回路的特性分析 李延民，李坤 郑州大学机械工程学院，河南郑州 4 5 0 0 0 1 摘要提出了一种防止液压冲击的基本回路，实现压力的逐步升降来达到保护伺服回路的目的。分析了基本原理的可 行性 ， 通过采用 A M E S i m液压分析软件对液压系统进行了建模仿真，分析了关键元件参数对基本回路的压力升降速率的影 响。结果表明该基本液压回路具有保护伺服回路的作用。 关键词液压冲击；液压仿真 ；A ME S i m；液压伺服回路 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 9 1 4 9 3 Cha r a c t e r i s t i c s Ana l y s i s o f Ba s i c Ci r c u i t o f Pr e v e nt i ng Hy dr a ul i c Sh o c k LI Ya n mi n。LI Ku n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c b a s i c c i r c u i t o f p r e v e n t i n g h y d r a u l i c s h o c k w a s p u t f o r w a r d ，w h i c h a r r i v e d t h e a i m o f p r o t e c t i n g a s e r v o c i r c u i t b y i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s i n g t h e p r e s s u r e g r a d u a l l y ．T h e f e a s i b i l i t y o f i t s b a s i c p r i n c i p l e wa s a n a l y z e d，a n d t h e n a mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d w i t h s i mu l a t i o n b y u s i n g h y d r a u l i c a n a l y s i s s o f t wa r e AME S i m．T h e e f f e c t o f s o me p a r a me t e r s o f k e y c o mp o n e n t s o n t h e p r e s s u r e i n c r e a s i n g a n d d e c r e a s i n g r a t e o f b a s i c c i r c u i t wa s a n aly z e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c b a s i c c i r c u i t h a s t h e f u n c t i o n o f p r o t e c t i n g t h e s e r v o s y s t e m． Ke y wor dsHy dr au l i c s ho c k；Hy d r a u l i c s i mu l a t i o n；AMESi m ；Hy dr a u l i c s eⅣ0 c i r c ui t 0前 言 液压系统在瞬时启动、停机、变速或换向，即控 制阀阀口的关闭或执行元件动作突然停止时，由于流 动液体和运动部件具有惯性，流动液体和运动部件的 机械能 瞬时转换 成系统的压力能 ，在系统 内会形成很 高 的瞬时峰值 压力 ，即液压 冲击 ⋯。液压 冲击 的出现 可能对液压系统造成较大的损伤，严重影响着执行元 件 和系统 中的各种关键元件 的性能 和寿命 ，增加 系统 的故障率 ，使液压系统的可靠性和稳定性下降。尤其 是在高压、高速及大流量的系统中其产生的后果更严 重 。因此在液压系统工作的过程中应当尽量避免液 压 冲击 的产 生 。 针对液压冲击产生的原因，防止液压冲击的方法 有很多种 1 减慢换 向阀的关闭速度，增大管径 ， 设置蓄能器； 2 采取措施适当延长控制时间，设 置缓冲装置 ，在回油控制油路 中设置平衡 阀或背压 阀； 3 通过电气控制方式预防液压冲击。采用电 气方式 预防液 压冲击问题 的优点是 比较 简洁 、方便 和 高效 ，不需要对液压系统进行大的调整 ，但其最大的 缺陷是降低了系统的响应速度 ，并且不能解决所有的 液压冲击问题 ，所以要从根本上解决液压冲击问题还 是需要从液压回路和液压元件上着手。针对具体的液 压回路和工况对液压元件结构进行改进 ，也可在液压 回路中增加各类辅助液压元件等 。 由于液压系统的不同，液压执行元件的控制性能 要求不同，所采取的防止液压冲击的措施也有多种方 式。由于液压冲击会严重影响到液压振动平台中的伺 服控制系统的控制性能及振动平台的特性，且伺服系 统中多为昂贵的元器件。为此，本文作者提出了一种 可以应用于液压伺服控制回路中的能有效防止液压冲 击的基本回路 ，利用液压仿真软件对该基本回路进行 仿真研究 ，分析基本回路原理的可行性、各关键参数 对回路性能的影响等 ，对其他应用此种类型基本回路 的液压系统设计有一定的借鉴意义。 1 液压回路基本原理 1 ． 1 液 压 回路 的作 用 1 该回路安装于液压泵与液压执行元件 中间， 起一个隔离作用 ，防止液压泵启动时 的高压突然加于 执行元件产生液压 冲击 ，造成对伺服 阀的破坏 。同时 防止突然停机时 ，高压 油的突然 回流造成对泵源 的破 坏 ； ‘ 2 由于该回路的存在，根据系统的需要不同， 可 以向液压 系统提供两级稳定 的压力 。 1 ． 2液压回路的基本工作原理 设计 了一种 防止液 压冲击对伺服 回路产 生破坏 的 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 3 作者简介李 延 民 1 9 6 4 一 ，男，副教授 ，工 学博 士，主要从 事液 压传 动与控 制 的研究 与教 学工 作。E～m a i l l i k un 4 548 5 95 7 4 1 2 6．c o rn。 通信作者 李坤 ，Em a i l 4 5 4 8 5 9 5 7 4 q q ． c o rn。 1 5 0 机床与液压 第 4 2卷 液压系统原理图如图 1 所示。在设计中把此基本回路 设计成一个独立的集成块，该集成块只有输入 P 。 口 和 T 口与输 出的 P 。 口和 T 。 口。这样可 以方便 地接 人液压系统 中，便于安装 调试。 如果两只电磁换向阀都没有通电，P 口和 T 口 就没有连接到输入 P i 口和 T i 口。 首先 ，电磁换 向阀 1 通 电 ，油路分配方式发生改 变 ，压力油开始经过单向节流阀4与 5到达液压执行 元件 ，由于单向节流阀4的节流作用 ，使液压执行元 件的压力逐渐上升。同时 ，压力油又经固定节流口 1 1 、1 2到达液控单向阀 3的控制油 口。当执行元件 的压力达到一定值后，液控单向阀3控制口压力达到 开启压力，液控单向阀 3主油 口打开。压力油经液控 单 向阀 3能够直接通 到执行元件 ，执行元件负载压力 跃升至系统压力 。 1 、2 一电磁换 向阀 3 - - 液控单 向阀 4 、5 _ 单向节 流阍 溢流阀 7 m压力表 开关 8 一压力表 9 、1 单 向阀 1 1 、l 2 一周定节 流 口 P h 、T I 一 集成块 进、 回油 口 P 、T 厂集成块 工作油 口 图 1 防止液压冲击的基本回路原理图 当电磁换向阀 2 通电时，溢流阀6连接到了执行 元件上的压力油边，工作负载压力被限定在一个设定 值 ，液控单向阀 3关闭，压力油通过单向节流阀 4 、 5进入执行元件。在这种情况下 ，液压执行元件的速 度及输出力被限定，液压执行元件在限定的功率下工 作。 在液压油路集成块上有 3处调节元件 1 单 向节流 阀 4 ，通过改变节流 口 4大小 而改变压 力建立 期间进入到液压执行 元件的流量 ，调整压 力建立 的速 度 ，所推荐的压力上升时间在 3 s 之 内 ； 2 单 向节 流阀5 ，当阀块关闭期间 ，通过改变节流 口5大小改 变压力降低的速度，所推荐的压力下降的时间是 3～ 5 s ； 3 溢流 阀6 ，设定 系统低压状态 以实现液压执 行元件的输出力的限定。 2 基于 A M E s i m液压 回路的建模及仿真分析 2 ． 1 液压仿真软件介绍 A ME S i m是 I M A G I N E公司于 1 9 9 5年推出的基于 功率键合图的一个图形化开发环境 ，专门用于液压／ 机械系统 的建模 、仿真及动力学分析 。 L MS I ma g i n e ．L a b A ME S i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g En v i r o n me n t f o r p e r f o r mi n g S i mu l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s - t e rn s 为多学科领域复杂系统建模仿真平台。用户可 以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模 型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以 在这个平 台上研 究 任何 元件 或 系统 的稳态 和 动态 性 能 。A M E S i m使得协助工程师迅速达到建模仿真的 最终 目标 分析和优化工程师 的设计 ，从而帮助用户 降低开发的成本和缩短开发的周期 。A ME S i m在航 空航天工业汽车制造和传统液压行业等领域得到了广 泛的应 用 。 2 ． 2液压 回路 建模 L M S I m a g i n e ．L a b A M E S i m 中有 标准 的液 压元件 模型库 ，对于文中提及的常用元件所组成的简单的液 压回路来说 ，在建模时，只需要将液压模型库中液压 元件模型拖拽到工作空间然后用管路连接起来即可， 其液压回路模型的建立非常方便快捷 。液压回路原 理 图的 A ME S i m模 型如图 2所示 。 图2 A M E S i m液压系统回路仿真模型 A M E S i m所建立的液压系统 回路仿真模型中的元 件与图示液压集成块的液压 回路图中的元件一一对 应。在仿真模型中增加了恒流量的液压油源和一个溢 流阀。其中恒 流源 的输 出流量 为 2 5 0 L ／ m i n ，溢 流阀 的调定压力为 2 8 MP a ，因此油源所提供的最高压力 为 2 8 M P a 。为了简化液压系统的仿真模型，液压系 统回路仿真模型中的执行元件用蓄能器所代替 ，蓄能 器的充气压力 为 1 4 M P a ，容量为 4 L 。根据执 行元件 压力达到 1 8 MP a 时液控单 向阀开启 来设 置液控 单 向 阀参数，液控单向阀为外控外泄形式。调节溢流阀 6 ，使系统工作时的低压水平为 1 0 M P a 。在以上参数 确定之后，依次调节单向节流阀节流 口4和 5的大 小，使系统压力的建立和卸荷满足所推荐时间的要 求 。 2 ． 3 液压油路集成块功能仿真 为 了使系统压力建立 的时间在 3 S 之 内完成 ，通 过调节单向节流阀4节流口开口的大小控制压力建立 的速度。对不同节流口4的大小仿真所得到的蓄能器 第 1 9期 李延民 等防止液压冲击基本回路的特性分析 1 5 1 出 口的压力一 时问曲线图如 图 3所示 。 25 20 塞 1 5 1 0 5 0 0 2 4 6 8 l 0 t ／ s 图3 对节流口4仿真所得到的压力 一时问曲线 从 图中可 以看 出 ，随着 单向节 流阀 4节流 口通流 面积 的增大 ，系统仿 真 中压 力建立的时问从右到左依 次加快 。节流 阀 口4通 流面积大 于 2 ． 6 7 0 3 5 m m 时 ， 系统仿真中压力建立的时间在 3 s 之内。因此可以选 择单 向节 流阀 4阀 口通 流面积为 2 ． 6 7 0 3 5 m m 。 同样 ，在 确定 了单 向节 流 阀 4阀 口通 流 面 积之 后 ，通过调节仿 真模 型 中单 向节流 阀 5节流 口开 口的 大小控制系统卸荷的速度，使系统卸荷的时间保持在 3～ 5 s的时间 。对不 同节流 口5的大小仿真所 得到 蓄 能器出口的压力 一 时间曲线图如图4所示。 25 2 0 1 5 1 O 5 0 嘲 ； 卯 I I I--．--75929m 261inln201593 I2一 阀口通流面积1． i I j 43一 阀口通流面积2．3e7 1 I ； {4一 阀口通流面积3． mm2I l i 2 0 图4 对节流口5仿真所得到的压力 一时间曲线 从 图中可 以看 出，随着单 向节 流阀 5节流 口通 流 面积的增大，系统仿真中系统卸荷的时间从右到左是 依次加快的。节流阀口5通流面积大于2 ． 3 8 7 6 1 m m 时，系统仿真中系统卸荷的时间在 5 S 之 内。因此可 以选择单向节流阀5阀口通流面积为2 ． 3 8 7 6 1 m i l l 。 在选定 了系统各 主要参 数之后 ，通过 3 个 时间周 期对液压回路模型进行仿真分析，仿真得到的蓄能器 出口的压力 一时间曲线图如图 5 所 示。 在图5中0～ 2 0 S 为卸荷一高压一卸荷变化周期， 2 O一 5 0 S 为卸荷一低压一高压一卸荷变化周期，5 0～ 9 0 S 为卸荷一高压一低压一高压一卸荷变化周期。分 析 图 5可 以看 出所设计液压 油路块 能够满 足缓解泵源 到液压执行元件 的液压 冲击要求 。在系统建立压力与 卸荷过程中都有压力的骤升骤降存在，这是由于在图 示液压系统仿真模型中，负载为一个预充压力为 1 4 M P a 的蓄能器。在系统工作压力小于 1 4 MP a ，系统 压力在建压和卸荷 的时候就会 出现上述 的现象 。 2 5 2 0 皇 l 5 1O 5 0 0 l 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 t l s 图5 系统仿真的压力 一时间曲线图 3结论 通过对液压系统原理图的阐述及基于 A M E S i m建 模 的液压系统的仿真分析可 以得 出 1 所提 出的液 压基本 回路能够 达 到所预 期 的 目标 ，避免油源与液压执行元件间的直接冲击 ，保 护 了伺服系统昂贵的元件 ； 2 该液压基本 回路通过内部设置能够实现在 执行元件一侧缓慢建立压力、开关油路和卸荷或者由 高压到低压工作时缓慢降低执行元件一侧压力 的功 能 ，且能够使系统工作在 限定功率范 围内。 由于液压系统各种各样 ，在使用文中的液压基本 回路时，各个元件参数的选择存在差异，所以要根据 液压系统工作的具体要求来选择元件参数以能够实现 所设计液压油路块的功能。 参考文献 [ 1 ]王积伟． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 00 8． [ 2 ] 张平格． 液压传动与控制[ M] ． 北京 冶金工业出版社 ， 2 00 4． [ 3 ]王守城 ， 段俊勇． 液压元件及选用[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 李艳杰 ， 张昱． 基于 A M E S i m的 B型液压半桥建模和仿 真[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 3 6 9 7 0 ． [ 5 ]刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． [ 6 ]孙成通， 陈国华， 蒋学华． 液压系统仿真技术与仿真软件 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 1 4 01 4 3 ． [ 7 ]冀谦． 基于 A ME S i m的小型液压挖掘机液压回路仿真研 究 [ J ] ． 研究与分析， 2 0 0 9 1 1 4 2 4 4 ． [ 8 ]李以农 ， 谢敏松， 米林． 基于 A ME S i m的汽车E S P液压系 统建模[ J ] ． 计算机辅助工程， 2 0 1 0 2 3 6 4 0 ．