基于AMESim的负荷传感与LUDV液压系统的仿真研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 01 1 基于 A ME S i m的负荷传感与 L U D V液压系统的仿真研究 李 萌 蔡文远 北汽福 田汽车股份有限公司， 北京 1 0 2 2 0 6 摘要 本文介绍 了负荷传感与 L U D V液压 系统 ， 分析了在单泵 多执行机构时负荷传感与 L U D V液压 系统 的工作特 点 ， 并在此基础上 建立了负荷传感变量泵 、 负荷传感液压系统与 L U D V液压系统的 AM E S i m模 型 ， 进行 了仿真分 析。 关键词 负荷传感 ； L U D V A M E S i m； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 9 0 0 4 9 0 5 Re s e a r c h a nd S i mu l a t i o n o f Lo a d S e n s i ng a nd LUDV h y d r a u l i c S y s t e ms Ba s e d o n AM ES i m L I Me n g C AI We n - y u a n B e i q i F o t o n Mo t o r C o ． ， L t d ． ，B e i j i n g 1 0 2 2 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m a n d L UDV h y d r a u l i c s y s t e m a l e i n t r o d u c e d ．T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m a n d L U D V h y d r a u l i c s y s t e m t h a t t h e y a r e w o r k i n g i n a s t y l e o f s i n e p u m p a n d mu l t i a c t u a t o r a r e a n a l y s e d ．The AMES i m mo d e l s o f l o a d s e n s i n g p u mp ， l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m a n d L UDV h y d r a u l i c s y s t e m n e e b u i l t a n d s i mu l a t e d ． T h e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n a r e a n a l y s e d ． Ke y W o r d s l o a d s e n s i n g ； L UD V ； AME S i m ； s i mu l a t i o n 0 前言 负荷传感技术因其高效节能的特点 ，被 广泛应用 于工程机械 、 矿山机械等领域。工作 中， 负荷传感液压 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 3 0 作者简 介 李萌 ． 现从事于北汽 福 田汽车股份 有限公 司汽车工 程研究 院 新能源技术 中心。 制活塞是以牺牲阀的定压精度 ，实现阀的卸载压力和 加载压力的不同。卸载 阀 自动卸载和 自动加载功能的 实现 ， 可以使泵在一定的压力范围内保持卸载状态。这 有利于系统的节能， 也降低了系统的功耗及发热。 2 通过更换不同尺寸的导阀座 ， 可 以改变球阀的 密封面积 ， 从而得到不 同的公称开启压力 。球阀密封面 积和控制活塞 的面积 比决定 了卸载阀的控制精度 ， 即 压力波动范围。 3 考虑到井下工作 的特殊工况及 阀的寿命 ， 锥 阀 阀 口关闭时为线密封 ． 容易过早失效 ； 而球阀的 自定位 性较好 ， 使其容易保证可靠的密封性 。且导阀座倒角和 倒角长度参数合适时 ， 球 阀有较稳定的流量系数 ， 不易 出现流量饱和现象 。加工时球体可作为标准件， 降低了 系统 能实时地将负载 的压力信号反馈给负荷传感变量 泵 。变量泵根据压力信号实时地调节 自身的流量和压 力 ， 使之 与负载需求相适应 ， 满足负载 的需要 ， 这极大 地减少 了功率损失 。同时， 当多执行机构同时工作时 ， 负荷传感多路阀采用 了压力补偿技术 ，通过控制多路 阀的开度来控制各执行器的速度 ，而与各执行器 的负 载没有关系 ， 大大提高了工程车辆的可操作性。 -卜 一 一- - 一一 十 一 - - * 一- 一 - - - 一 - 一 - 导阀芯的加工与热处理难度 ， 具有较好的工艺性。 参 考 文 献 [ 1 】 张利平． 液压阀原理 、 使用与维护【 M 】 ．北 京 化学工业出版社 ， 20 05 ． [ 2 ] 贺小峰， 何海洋． 先导式 水压溢流 阀动态特性 的仿 真【 J 1 ． 机械 工程学报 ， 2 0 0 6 1 ． 【 3 】 胡燕平， 彭佑 多， 吴根茂， 等． 液阻网络系统学[ M】 ． 北京 机械工 业 出版社 ． 2 0 0 3 ． [ 4 ] 胡燕平， 谌铎文， 毛征宇， 等． n桥 电液 比例溢流阀动态特性[ J ] ． 煤 炭学报 ， 2 0 0 7 1 1 ． [ 5 】 贺小峰 、 黄 国勤 、 杨友胜等． 球 阀阀 口流量特性的试验研究[ J ] ． 机械工程学报 ． 2 0 0 4 8 ． 4 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 1年 第 9期 在负荷传感液压系统 中， 当多执行器同时工作时 ， 如果各执行器 的总流量需求大于泵 的最大输 出流量 ， 会使系统失去复合动作的能力 ，而 L U D V液压 系统则 很好地解决了这样 的问题。 1 负荷传感与 L U DV液压 系统 负荷传感 L s 与 L U D V液压系统一般为单泵多执 行机构工作 ， 它们 的构成一般有负荷传感变量泵 、 压力 补偿阀、 梭阀等。 它们的原理图见图 1和图 2 。 它们最大 的特点就是系统的输 出流量与负载没有关 系，而只与 阀V I 开度成正比， 下面对这两个系统的特点分别说明。 图 1 L S液 压 系 统 原 理 图 图 2 L U D V液 压 系 统 原 理 图 1 ． 1 负荷传感液压系统 图 1 为负荷传感液压系统的原理图。由图可知 ， 负 荷传感液压系统的压力补偿 阀为一定差减压阀 ，它与 多路阀组成了一个调速阀。根据伯努力流量方程 r r一 Q C d A 、 ／ V 式 中p 流量 ， 单位为 m 3 ， s ； 流量系数 ； A 阀的开口面积 ， 单位为 m ； △ p 多路 阀V I 前后压差 ， 单位为 P a ； p 液体密度 ， 单位为 k g ／ m 。 由公式可知， 系统的p和 C 一般为定值 ， 那么流量 只与 A和 △ p有关 。如果 △ p为一定值 ， 则系统流量 Q 与阀的开 口面积 A成正比， 阀口开度增大 ， 流量增大 ， 阀 口开度减小 ， 流量减小 ， 与负载没有关系。 由原理图可知 ， △ p其实就是压力补偿 阀设定的压 力 ， 为一定值。这样系统的流量只与阀口的开度大小成 正比， 而与负载无关。 通过对系统原理图的分析还可以得知 ，如果工作 5 0 系统需求 的流量超过泵供油能力的极 限时 ，最高负荷 回路上的执行元件速度会迅速降低甚至停止 ，压力油 大部分或全部流向低 负载执行机构 ，从而使工作机构 失去复合动作的协调能力。 1 ． 2 L UD V液压系统 从上面系统 的原理 图可知 ，负荷传感液脏系统是 阀前压力补偿 ， L U D V液压系统是阀后压力补偿 ，负荷 传感 液压 系统 的压 力补 偿 阀是基 于定差 减压 阀 ， 而 L U D V液压系统的压力补偿是基于 比例溢流阈。 L U D V液压系统中， 根据压力补偿阀的受力平衡可 以得到如下的关系式 p 0 ’ p 式中p 。 多路阀出12 I 压力， 单位为 P a ； p ’ 压力补偿阀弹簧的设定产生的开启压力 ， 单位为 P a ； p 梭阀输出的最高压力 ， 单位为 P a 。 则多路阀的前后压差 卸 。 _ p 。 式中p 泵的出口压力 ， 单位为 P a 。 根据负荷传感泵的特点可知 pp l 式 中 △ p 变量泵 中负荷敏感 阀的压力设定值 ， 单 位为 P a 。 则 a p a p I - p ’ 由于 △ p 和P都 是定值，则多路 阀的前后压差 为定值 。 这种控制形式与泵的流量饱 和与否 没有关 系 ， 流 向各支路执行器 的流量只与其控制 阀的开 口度成正 比。如果泵能提供的最大流量小于各执行器需求流量 的总和 ， 则流向各支路的流量 以泵 的最大流量为基础 ， 按照各支路控制阀的开 口度成正 比例分配 ，不会使各 执行机构失去复合动作的协调能力。 2 AME S i m系统建模 与仿真 A ME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o t 1 E n v i r o n me n t f o r S y s t e m s E n g i n e e r i n g 足 世界著 名 的J 程系统高级建模与仿真平台，它提供了一个系统级工 程设计 的完整平台 ，使得用户呵以在单一的平台上建 立复杂的一维多学科领域 的机电液一体化 系统模型 ， 并在此基础上进行仿真计算和深入 的分析。 A ME S i m采用物理模型的图形化建模方式， 软件中 提供了丰富的应用元件库 ，用户可 以采用基本元素法 按照实际物理 系统来构建 自定义模块或仿真模型 ， 从 而使用户从繁琐 的数学建模 中解放 出来 ，而将更多的 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 9 ． 2 0 1 1 精力投入到实际物理模型本身的研究。其应用领域包 括 燃料喷射 系统 、 悬挂系统 、 车辆动力学 、 制动系统 、 润滑系统 、 动力操纵系统 、 冷却系统 、 传动系统、 变量 阀 压力脉动 、 液压元件 、 阀／ 管路 、 系统控制 、 液压 回路 、 机 械系统等。 A ME S i m有 4 0多个应用库 ，本文应用了其中的液 压库 、 H C D库 、 机械库 、 信号库等建立了系统的模型 ， 并 进行了仿真分析。 2 ． 1 负荷传 感 变量 泵建模 与仿真 根据负荷传感变量泵原理图 ，搭建了变量泵的模 型 ． 并设置模型各个模块相应的参数 ， 使负荷传感变量 泵 的基本参数为 排量为 1 0 0 c m3 ／ r ， △ p 为2 4 b a r ， 容积效 率 研为 0 ． 9 8 ， 切断压力为 2 5 4 b a r 。 如图 3为负荷传感变 量泵的 A ME S i m模型。 图 3 变量 泵模 型 A ME S i m有一个超级元件 s u p e r c o m p o n e n t 的功 能 ，可以把复杂的系统封装 ，用一个简单 的图标来代 替 ， 图标放在 自己定义 的应用库 中， 可以方便 的取用 。 图 4便为封装后的变量泵模型 ， 简单直观。 图 4封装后变量泵模 型 搭建如下 图 5简单的系统 ，验证变量泵的模型的 正确性。 图 5 下 列 系统 各 元 件 的 基 本 参 数 为 电 动机 转 速 2 0 0 0 r ／ m i n ， 变量节流1 3 直径为 8 m m， 控制信号 1 0 s 使节 流 口面积从最大变为 0 ， 1 0 s 到 1 5 s 保持 0 ； 节流 口的直 径设置为 5 mm。仿真时间为 1 5 s ， 通讯间隔为 0 ． 0 1 s 。 泵输 出流量的仿真结果见图 6 。 节流 口两端的压差 2 4 b a r ， 见 图 7 。 图 6 流量曲线 图 7 节流 阀13前后压力 经分析， 仿真结果与预期一致 ， 变量泵模型正确。 2 ． 2 负荷传感与 L UD V液压 系统建模与仿真 根 据原理 图搭建 负荷 传感 与 L U D V液 压系统 的 AME S i m模 型． 见图 8和图 9 。 一 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 1年 第 9期 ⑥ ⑧ 图 8 I S液压系统仿 真模型 图 9 L UD V液 压 系统 仿 真 模 型 对于负荷传感液压系统 ， 设置参数如下 可变节流 阀 I 和可变节流阀 2的最大通径为 5 mm； 控制信号 l 在 0 ～ 1 s 内的值为 0 ． 5 ， 1 5 s内的值为 I ； 控制信号 2在 0 ～ 1 s 的值为 0 ， 1 ～ 3 s 为 0 ． 8 ， 3 ～ 5 s 为 I ； 压力补偿阀 1 和压力补 偿阀 2的 △ p为 l O b a r ；负载 1 为 1 0 0 0 0 0 N，负载 2为 3 0 0 0 0 0 N； 流量系数 0 ． 7 ； 仿真时间 5 s ， 通讯间隔 0 ． 0 1 s 。 现在计算一 下在两个节 流阀都完全 打开 的情况 下 ， 系统能正常工作的饱和流量是多大 ， 按此可 以计算 出给系统提供饱和流量时 ， 泵的最低转速。 52 据公式 Q C d A 按照给定 的已知条件可得 Q 8 0 L ／ mi n ， 则泵的转速 为 ∞ 而 8 0 i 8 1 7 r ／ mi m 。 把 电动机 的转速 分别 设 为 1 5 0 0 r ／ m i n 、 5 0 0 g m i n、 l O O r ／ m i n ， 做三次仿真， 分析结果。 对于 L U D V液压系统 ， 设置压力补偿的相关参数 ． 使节流阀前后的压差 △ p为 l O b a r ，与负荷传感液压系 统一致 ，其余参数设置与负荷传感液压系统的参数设 置一致 ， 进行仿真分析， 其结果与负荷传感液压系统相 比较 ， 进行分析。 仿真结果如图 l 0 ～ 图 1 3所示。 1 5 0 0 r ／m in fl o w r a t e a t p o r t 2 1 1 ／ ra in ] ⋯ ∞- 5 o 0 r／ n l In fl o w ra t e a t p o r t 2 [ t一 ／ ra i n 】 ⋯ m I O O r ／ m i n fl o w r a te a t p o r t 2 [ L ／ mi n 】 l l 8 f lJylⅢ 21 33 99 ．99 79 28 59 I 3 9 8 I 图 1 0 负荷传感液压系统节流阀 1的流量 图 1 l 负荷传感液压 系统节流阀 2的流量 图 1 2 L U D V液压系统节流阀 1的流量 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． 9 ． 2 0 1 1 图 1 3 LUDV 液 压 系统 节 流 阀 2的流 量 下面对仿真结果进行分析。 当电动机转速为 1 5 0 0 r ／ mi n时 ． 变量泵能提供足够 的流量 ，负荷传感液压系统与 L U D V液压系统的两个 支路的节流 口的流量在仿真的三个 阶段的数值见表 1 、 表 2 。 表 1 1 5 0 0 r／ min时 ． 负荷传感系统仿真结果 节流口 1 流量／ L ／ min 2 0 4 0 4 0 节流 口2流量， L ／ min0 3 2 3 9 ．9 表 2 1 5 0 0 min时 ． L UD V系统仿真结 果 节流口 1 流量， 1 ． ／ m i n 2 0 3 9 ．5 3 9 4 节流口2流量， Un fi n 0 3 1 ．5 3 9 ．2 从表 1 、 表 2中看到 ， 当流量足够时 ． 负荷传感液压 系统与 L U D V液压 系统基本没有什么区别 ，且通过节 流口的流量与节流 口的开度大小成正 比。 当电动机转速为 5 0 0 r ／ m i n时 ．负荷传感液压 系统 与 L U D V液压系统 的两个支路的节流 口的流量在仿真 的三个阶段的数值见表3 、 表 4 。 表 3 5 0 0 ff mi n 时 ． 负荷传感系统仿真结果 节流口 1 流量／ 1．J min 2 O 节流 口 2流量， I ．／ min 0 4 0 9 4 0 9 表 4 5 0 0 ff mi n时。 L U D V 系统仿真结果 节流口 1 流量， 1． ／ min 1 9．8 2 7 ．3 2 4 ．6 节 流口 2流量， 1J min 0 2 1 ．7 2 4 ．4 电动机转速 5 0 0 r ／ mi n时 ，当两节流阀同时开到最 大时 ， 泵提供的流量 已不能满足系统需要 ， 由于负荷传 感系统支路 l的负载小于支路 2的负载 ，所 以流量优 先得到满足。而同样条件的 L U D V液压系统 ， 流过节流 口 1和节流 口 2的流量仍然与它们的开 口度的大小成 正 比， 与负载没有关系。 当电动机转速为 l O O r ／ m i n时。泵提供的流量严重 不足 ， 由图 1 1可知 ， 负荷传感 液压支路 2的流量几乎 为零 ， 液压油全部流向低负载的支路 l 。而 L UD V液压 系统的流量依然按照各支路节流 口开度大小进行正 比 例分配。 3 结论 本文介绍了负荷传感液压系统以及 L U D V液压系 统 ，分析了它们的共 同点 以及区别 ， L U D V液压系统是 与负载压力无关 的流量分配系统 。在单泵多执行机构 系统中 。各支路的流量分配除 了与各支路的负载压力 无关外 ， 还与泵所能提供的最大流量没有关系 ， 只与控 制各支路 的多路 阀的开度有关 ．这样在多执行机构进 行复合动作时 ，不会因为泵的流量不足而失去复合动 作的协调能力。 本文简要介绍了 A ME S i m的功能 ，建立了负荷传 感泵 、负荷传感液压系统 、 L U D V液压系统 的 A ME S i m 模型 ， 对负荷传感泵进行了超级模块封装 ， 并对系统模 型进行了仿真。通过对仿真结果 的详细分析 ， 验证了负 荷传感变量泵、负荷传感液压系统、 L U D V液压系统 的 特 点 。 参 考 文 献 [ 1 】 张海涛 ， 何 清华 等． L U D V负荷传感 系统在 液压挖 掘机上 的 应用[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 4 1 0 ． [ 2 ] 顾 临怡 ， 谢 英俊． 多 执行 器负载敏感 系统的分 流控制发展综 述[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 1 3 ． 【 3 】 张新 海 ， 何 清华等． 挖掘机负荷传感 液压系统 中的压力补偿 [ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 5 7 ． [ 4 ] 付永领 ， 祁 晓野 ．A E MS i m系统建 模和仿 真一从 入 门到精通 【 M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 5 3