基于AMESim的负载敏感液压系统的仿真研究.pdf

基于 A ME S i m 的负载敏感液压系统的仿真研究 高立龙马士友阮宣武马雪红 防空兵学院郑 州4 5 0 0 5 2 摘要 针对负载敏感液压系统的结构 特点 、反 馈机制 和工作原 理 ，利用 A ME S i m实现 了对负载 敏感液 压 系统的仿真实验，揭示了基于负载反馈的变负载恒流量控制、变流量恒压力控制、恒功率 自适应控制伺服控制 系统的运行规律，仿真结果与负载反馈机制相符合。 关键词 A M E S i m；负载敏感 ；液压系统 ；仿真研究 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 20 0 6 4 0 5 Ab s t r a c t I n v i e w o f t h e s t r u c t u r a l f e a t u r e ，f e e d b a c k me c h a n i s m，a n d w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e l o a d s e n s i t i v i t y h y d r a u l i c s y s t e m ，s i mul a t i o n t e s t i s pe r f o r me d o n t he l o a d s e n s i t i v e h y d r a ul i c s y s t e m wi t h AMES i m t o wo r k o ut t h e o p e r a t i o n r ul e o f t h e s e r v o c o n t r o l s y s t e m r e g a r d i n g v a r i a b l e l o a d c o n s t a n t fl o w c o n t r o l ，v a r i a b l e fl o w c o n s t a n t p r e s s u r e c o n t r o l ，a n d c o n s t a n t p o w e r s e l f - a d a p t i v e c o n t r o l b a s e d o n l o a d f e e d b a c k，a n d t h e s i mu l a t i o n r e s u l t i s c o n s i s t e n t w i t h t h e l o a d e d b a c k me c ha n i s m． Ke y w o r d s A M E S i m；l o a d s e n s i t i v i t y ； h y d r a u l i c s y s t e m； s i mu l a t i o n s t u d y 0 引言 负载敏感变量泵是负载敏感液压 系统的核心 元件 ，主要 由轴 向柱塞 泵 、斜盘控 制机构 组 成。 负载敏感变量泵的功能是实现泵 出 口压力 、流量 与负载需求相适应 ，提高液压 系统的节能性及执 行机构运动 的平稳性 l l J 。负载 敏感变量泵的控制 形式可以分为恒功率控制 、恒 流量控制和压力切 断控制 恒压控制 ，具体到 某种类 型的负 载敏 感变量 泵 ，可 以是 以上 一种 或 多种 控 制形 式 的 组合 。 负载敏感 是指系统能 自动地将 负载所需压力 或流量变化的信号传递到敏感 控制 阀或泵变量控 制机构的敏 感腔 ，通过变量泵 的变量控制系统控 制泵排量 ，使泵仅输 出与 负载需求相 等量的液压 功率 压力与流量的乘积 ，从而最大限度地减少 溢流损失 ，实现节能控制。 1 负载敏感液压 系统 负载敏感液压 系统包 括负载敏感 变量泵 、负 载检测反馈系统、方向控制阀及负载执行机构。 如前所述 ，负载敏感 变量泵 可使泵的输 出压力 和 流量自动适应负载需求，避免多余的溢流和压差 损失 ，从而较大幅度地提高液压 系统效率。负 载 6 4 敏感调速 系统不仅 能实现按需供 油 ，同时也 能按 需供压，是能量损失很小 的一种 调速方案。就应 用对象和场合而言 ，负载敏感变量泵 系统 非常适 用于负载压力较 高、调速范 围较 大 的系统 。负载 敏感控制原理如图 1 所示。 图 1 变量泵负载敏感控制原理图 负载敏感 阀 5在调节过程 中位移很小 ，弹簧 力变化不大 。为简化分析 ，可认为 阀芯 弹簧的设 定压力 F为定值。阀芯的力平衡方程为 Pb AFPL AFF F A P PbPL F 式 中 为阀芯弹簧的设定压力 ，4 为阀芯 的有效作用面积 当阀芯弹簧 的压力设 定后 ，负载敏感控 制 阀 阀 什 J 在平衡位置时 △ P恒定 ，与节流 阀 2的压差相 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 等。当需要提高 负载速度 时，需增大节 流阀 2的 开度 ，由于泵的变量控制滞后 ，当节 流阀 2开度 增大时，△ P将减小 ，则 P b A P A F ，此时负 载敏感 阀 5的阀芯将左移 ，B、O口接通 ，压力油 进入变量液压缸 6的右腔 ，使变量 泵的排量增加 ， 则流过节流阀 2的负载流量增加 ，△ P变大 。经过 动态调整 ，直至负载敏感 阀 5的阀芯达到新 的平 衡 ，从而实现按需供应油量 。 在该系统 中，方 向 阀对 系统 的动态特性影 响 较小 ，为简化 系统分 析 ，将方 向阀用可变液 阻代 替 ，同时将系统分为驱 动部分和负载部分两个 子 系统。驱 动部分 主要 包括柱塞式 变量泵 、负载敏 感阀、压力切断 阀及流量调 节阀 实 际工程系统 中为方 向控制阀，其兼有流量调节功能 。负载部 分 由液压缸 、负载及 回油阻尼组成 。 由于负载 敏感 变 量 泵 流量 控 制 和压 力 控制 模 型 比较 接 近 ，因此 泵 流量 控制 和 压力 控 制采 用 同一个 模 型 ，泵 恒功 率 控 制 比较 复杂 ，单独 采用另一 个 模 型。为 了 深入 分 析流 量控 制 和压 力控 制特性 ，对 流量 控 制 和压 力控 制 分别 进 行 仿 真 2 流量 、压力控制 A ME S i m 建模与仿真 根据恒流量 、恒压力控 制原理 ，将各 部分进 行连接 ，得到负载敏感变 量泵流量 、压 力控制模 型 ，如图 2所示。 图2 恒流量、恒压力控制液压回路模型 A ME S i m模型的参数设置是仿真的关键和难点。 可以从负载敏感变量泵图纸中获得一部分结构参数 ， 但是 A ME S i m仿真模型和仿真过程涉及到很多细节 参数 ，有些参数可能很难获得 ，需要根据摩 l生经验 得到初始值 ，在多次仿真过程 中获取精确值 。经过 实际测量和多次调试 ，得到如表 1 、表 2所示参数。 表 1 仿真液压环境参数 参数 数值 参数 数值 液压油密度／ k g m。 8 5 0 油液气体比例／ ％ O ． 1 液压油弹性模量／ MP a l 7 0 0 仿真温度／ ℃ 4 0 表 2 负载敏感变量泵参数 参 数 数值 参 数 数值 发动机转速／ r m i n 2 0 0 0 变量 泵额 定压力／ MP a 3 5 变量泵排量／ m L r 9 5 压力阀弹簧刚度／ N m 5 0 0 0 0 负载敏感阀弹簧预紧力／ N 1 5 7 压力阀阀芯质量／ k g 0 ． O 2 负载敏感阀弹簧刚度／ N m 2 5 0 0 0 压力阀阀芯直径／ m m 6 负载敏感 阀阀芯 质量／ k g 0 ． 0 2 压力 阀弹簧预 紧2／ N 7 9 7 ． 8 负载敏感 阀阀芯直径／ m m 1 0 回位柱塞直径／ mm 3 5 变量 回位柱塞预紧2／ N 3 【 x 】 回位柱塞质量／ k g 0 ． 2 变量 回位 柱塞弹簧刚度／ N m 1 0 0 0 0 0 可变节流 阀最大直径／ m m 1 0 变量回位柱塞直径／ m m 1 0 比例溢流阀最大设定压力／ M P a 3 5 变量回位柱塞质量／ k g 0 ． 2 比例溢流阀最大电流／ mA 2 0 0 粘性阻尼系数／ [ N m s - 1 1 2 0 阻尼孑 L 直径／ ra m 0 ． 8 阀芯静摩擦力／ N l O 阀芯库伦摩擦力／ N 8 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 一6 5 2 ． 1 负载敏感变量泵仿真测试 可变节流阀最大开度直径为 1 0 h i m，因此 ，仿 真时可变节流 阀输入信 号 0 ． 5 ，即节 流孔 阀 口半 开 ，比例 溢 流 阀输 入 信 号 1 0 0 mA，仿 真 时 间 0 ． 5 S ，打印时间 0 ． 0 0 1 S ，可 以得到泵的流量特性 曲线 见图 3 、压力特性 曲线 见 图 4 和节流 孔压差曲线 见 图5 。 呈 聪 图 3 负载敏感 变量 泵流量特性曲线 图4 负载敏感变量泵压力特性曲线 1 ．泵 出口压力2 ．负载压力 图5 节流孔两侧压力曲线 小至节流孔开度所需流量 。由图 4可 以看 出，泵 的压力 由于 初始时刻受到最大流量的冲击出现了 非常短暂的振 荡，之后迅速稳定 到负载所需求 的 压力 。由负载敏感伺服变量机构控制方 式与特性 分析可知 ，负载敏感 阀工作时 ，可 以保 证泵 的输 出压力与负载压力维持约 2 M P a的压力差 ，由图 5 可以看出节 流孔两侧压力差很 快稳定地 在 2 MP a 左右 。 由负载敏感 变量泵 A ME S i m模 型 的仿 真结果 可以看出，模 型的特性 曲线与变量泵 的工作原理 一 致 ，建模 和参 数设 置基本与实 际物理模 型的原 理相符合。 2 ． 2 变负载恒流量仿真 负载敏感变量泵变负载恒 流量控制是 指在外 负载变化 的情况下 流量保 持 基本 不变。仿 真 时， 节流阀输人信号 0 ． 5 ，比例溢流 阀信号 为 02 0 0 mA线性变化 ，即仿真负载 0～3 5 MP a线性增加 ； 仿真时间 5 s ，打印时间 0 ． 0 0 1 S ，得到节流阀半开 的流量 曲线 见图 6 和压力 曲线 见 图 7 ；节 流阀输入信号为 1 ，其他设置不变 ，得到节流阀全 开的流量曲线 见图 8 和压力曲线 见图 9 。 鲁 量 1螬 } 图 6 节流阀半开流量特性曲线 由图 3可 以看出 ，泵流量在 t 0时 ，即启动 图7 节流阀半开压力特性曲线 时刻以最大流量输出，在 0 ． 0 8 S时流量迅速减 一 6 6一 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 0 1 ．0 2 ． 0 3 ．0 4．0 5 ．0 6 ．0 时间， s 图8 节流阀全开流量曲线 图 9 节流阀全开压力 曲线 可以看到 ，泵在外 负载压力 持续增加 的情 况 下流量基本保 持一定 ，并且 当负载压力超过压 力 阀所设的 3 0 MP a时 ，压力阀开始起作用 ，压力维 持在 3 0 MP a左右不变 。此 时无论节流阀阀口全开 或半开，泵的输出流量都迅速减少至几乎为零， 仅维持泵 的泄漏 。取压力 曲线 和流量曲线 的稳定 部分 ，可以做 出理想变负载恒 流量 控制下 的流量 一 压力特性 曲线。 2 ． 3 变流量恒压力控制 变流量恒压力控制是指在负载流量突然变化 时，泵维持输 出压力不变。仿真时 比例 溢流 阀输 入信号 1 0 0，即代表负载压力不变 ，可变节流阀输 入阶跃信号 ，表示负载流量 突然变化 ，得 到流量 曲线 见图 1 0 和压力 曲线 见图 l 1 。 可 以看 到 ，在 泵 的负 载 流 量 突然 变 化 的情 况下 ，流量 出现 了较 大 的冲击 ，但 随后 迅 速稳 定到 流量 需求 值 ，相应 地 ，压 力 在流 量 的突然 冲击下也 出现 了小 幅振 荡 ，但 随着 负 载压 力稳 定后 ，压力维持不变，即实现 了变流量恒压力 控制 。 起重运输机械 2 0 1 5 1 2 图 l O流量特性 曲线 图 1 1 压力特性 曲线 3 恒功率控制 A MES i m 建模与仿真 基于模拟加 载的负载敏感变量泵恒 功率控制 液压 回路模 型依 旧采 用 比例溢流 阀模拟负载压力 变化 、可变节流阀模 拟负载流量变化。根据恒功 率控制原理 图，将各部分进行连接，得到基于模拟 加载的恒功率控制液压回路模型，如图 1 2 所示。 图 1 2 恒功率控制液压回路模型 一 6 7 一 ∞ ∞ ∞ 加 ∞ 印 ∞ ∞ 0 _ 硼 搴， 】 捌嚣口酋聪 仿真液压 环境 的参数设 置与流量 、压力 控制 压力控制部分一致 ，其他参数如表 3所示。 的参数设 置相 同 ，部分 部件模 型 的参数 与流 量 、 表 3 恒功率控制仿真 参数 参 数 数值 参 数 数值 测量柱塞直径／ ra m 6 功率 阀质 量／ k g O ． 0 2 测量柱塞杆径／ m m 5 功率 阀弹簧预 紧力／ N 3 2 1 ． 5 摆杆固定力臂／ m m 1 8 ． 8 功率阀弹簧刚度／ N 1／ 1- 5 0 0 0 0 定位液压缸直径／ m m 2 5 控制液压缸直径／ tu r n 3 5 定位液压缸弹簧预紧力／ N 3 2 1 5 0 控制液压缸弹簧预紧力／ N l 8 定位液压缸弹簧刚度／ N m l 0 o O 0 o 0 控制液压缸弹簧刚度／ N m l 0 O o 0 恒功 率控 制通 过 不 断调 整液 压泵 输 出压 力 与变量泵排 量 的变化 ，使液 压 泵 的输 出功 率保 持不变 。仿真 时 ，比例 溢流 阀输 入信 号 02 0 0 mA线性变化 ，即负载线性增 大 ，设定 的恒功率 调节压力点 为 2 0 MP a ，即超过 2 0 MP a后功率 阀 起 作用 ，变量 泵开始 恒功 率控 制。仿 真 时间 2 0 S ，打 印时间 0 ． 1 S ，得 到泵 压 力 一流 量 曲线 如 图 1 3所 示 。 呈 聪 图 l 3 恒功率控制压力 一流量变化 曲线 可以看到 ，泵 以最大流量启 动，当负载压 力 超过 2 0 MP a时，功率阀开始作用 ，调节泵 的流量 输出，此后泵的流量输 出与压力变 化近似于双 曲 线变化 ，维持功率不变 。 4 结束语 本文利用 A M E S i m建立负载 敏感液压 系统动 一 6 8 一 力学仿真模型 ，深入揭示 了基于负载反馈 的变 负 载恒流量控制 、变流量恒压力控制 、恒功率 自适 应控制伺服控制系统 的运行规律 ，为后期负载敏 感液压系统的检测提供科学依据 。 参考文献 [ 1 ]陈远玲 ，付玉林 ．负载敏感系统响应特性仿真研究 [ J ] ． 广西 大学学报自然科学 版，2 0 0 8 ，2 2 4 1 431 45． [ 2 ]来升，穆希辉 ，杜峰坡 ，等 ．负载敏感变量泵稳态特 性研究[ J ] ． 机床与液压 ，2 0 1 1 ，3 9 9 5 6 5 8 ． [ 3 ]穆希辉，郭浩亮，杜峰坡，等 ．基于 A ME S i m的负载 敏感变量泵的故障仿真研究[ J ] ． 现代制造丁程 ，2 0 1 2 93 33 5 ． [ 4 ]杨建辉 ，许辉 ．液压起重机负载敏感变量泵特性研究 『 J ] ． 建设机械技术与 管理 ，2 0 1 2 ，1 5 7 2 3 3 5 ． [ 5 ]张红涛，王新晴，梁升，等 ．电液比例溢流阀在液压 加载 系统 中的应用[ J ] ．液压气 动与密 封 ，2 0 1 1 9 252 7． 作 者 高立龙 地 址 河南省郑州市二七 区建设路 2 4号 防空 兵学 院导 弹系 邮 编 4 5 0 0 5 2 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 7 起重运输机械 2 0 1 5 1 2