基于AMESim的负荷传感液压同步系统仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ， 2 Ol 1年 第 3期 基于 A ME S I m的负荷传感液压 同步系统仿真研究 师辉宇 柳 波 中南大学机电工程学院， 湖南长沙4 1 0 0 8 3 摘要 针对液压双缸同步系统在偏载情况下 同步性能较差 的问题进行了研究 ， 提 出引人负荷传感技术调节系统压力的方法 ， 使得系 统流量不受负载变化影 响， 从而达到双缸同步 。 阐述了负荷传感液压双缸同步系统的组成及工作原理 ， 建立了负载敏感泵 、 多路阀及整 个系统的 A ME S i m模型 ， 并验证了模型的正确性 。对模型的仿真分析表 明 单个油缸动作时 ， 系统流量不受 负载变化影响 ， 油缸速度保 持恒定 ； 双缸同步动作时 ， 两 回路流量不受偏载影响 ， 当输入信号相 同时 ， 双缸保持同步 。 关键词 负荷传感 系统 ； A ME S i m模 型； 仿真； 同步 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 3 0 0 2 2 0 5 Re s e a r c h o n Lo a d s e n s i n g Hy d r a u l i c S y nc hr o n o u s S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m S HI Hu i - y u ’L 1 U B o C o l l e g e o f M e c h a n i s m a n d E l e c t r o n E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e s e a r c h i s f o r t h e p r o b l e m o f p o o r s y n c h ron i z a t i o n p e rf o r ma n c e o f t w o c y l i n d e r s h y d r a u l i c S y n c h ron i z a t i o n s y s t e m u n d e r p a r t i a l l o a d s i t u a t i o n ．T h e m e t h o d o f a d j u s t i n g t h e s y s t e m p r e s s u r e b y u s i n g l o a d - s e n s i n g t e c h n o l o g y tha t c a n m a k e the s y s t e m fl o w o u t o f i n fl u e n c e b y l o a d c h a n g e s a n d fi n a l l y a c h i e v e d s y n c h ron i z a t i o n i s b r o u g h t u p ． T h e c o mp o n e n t a n d b a s i c p ri n c i p l e s o f a a d- s e n s i n g h y d r a u l i c s y n c h r o n o u s s y s t e m i s i n t rod u c e d ． Th e l o a d - s e n s i n g p u mp、 mu l t i - wa y v alv e a n d e n t i r e s y s t e m AMES i m mo d e l i s e s t a b l i s h e d ． An d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e mode l i s v e ri fi e d ． S i mu l a t i o n r e s u l t s rev e a l s t h a t wh e n t h e s i n g l e c y l i n d e r mo v e s ， l o a d- c h a n g i n g d o e s n’ t a ff e c t t h e s y s t e m fl o w a n d the s p e e d o f c y l i n d e r i s s t a b l e ． W h e n t h e t wo c y l i n d e rs mo v e ， t h e tw o - l oo p fl o w s d o e s n’ t i nfl u e n c e d b y p a r t i al l o a d ．Wh e n t h e i n p u t s i g n als a r e t h e s a me s i g n al，the t wo c y l i n d e rs a c h i e v e s y n c h r o n i z a t i o n ． Ke y W o r d s l o a d - s e n s i n g s y s t e m； AME S i m mo d e l ； s i mu l a t i o n ； s y n c h r o n i z a t i o n O 引言 随着液压技术在工程领域中的应用 日益扩大 ． 大 型设备负载能力增加或因布局的关系需要多个执行元 件同时驱动一个工作部件时，同步运动就显得尤为突 出。 同其它同步方式相比， 液压同步驱动具有结构简单 、 组成方便 、易于实现 自动控制和适宜大功率 的场合等 优点 。但是 由于液压系统的泄漏 、 执行元件等存在的非 线性摩擦阻力 、 控制元件间的性能差异 、 各执行元件间 负载的差异 、 系统各组成部分的制造误差 、 油液的可压 缩性等因素的影响， 将造成多执行机构的同步误差 ， 如 果不能有效地加以控制并克服这种同步误差 ，系统将 不能正常工作【 I ] 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 1 5 作者简 介 师辉宇 1 9 8 5 一 ， 男 汉族 ， 甘肃 白银 人 ， 硕 士研 究生 ， 研究方 向 机电液控制理论与技术 的研究。 2 2 而在用单泵 或一组泵 驱动多个动作的液压同步 系统中。 有两个问题需要解决 一是在单个动作系统工 作时 ， 当负载变化时相应动作系统的速度要保持恒定 ； 二是多个动作系统的同步问题 ，即各动作系统的流量 分配比例要保持恒定回 。负荷传感液压控制技术是一种 比较理想的解决上述问题的方案。 1 负荷传感系统工作原理 负荷传感控制系统是将节流调速和容积调速相结 合 的容积节流调速液压控制系统，具有节流调速和容 积调速的所有优点 。负荷传感控制技术主要利用负载 敏感和压力补偿技术 ， 可用单泵 或一组 泵 驱动多个 工作系统 ， 通过流量控制 阀， 使流量按照需求 比例分配 到各工作系统 ， 且各动作问相互独立， 互不干扰。 由图 1的原理图可知 ，负荷传感液压同步控制系 统主要 由负载敏感泵 、 压力补偿阀 、 电液 比例流量控制 阀 、 梭 阀及液 压缸组成 。 Hv d r a ul i c s Pn e uma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 3． 2 01 1 3 ． 2 一 压力补偿 阀4 一 负荷传感变量泵4 ． 1 一 负载敏感阀 4 ． 2 一 恒压 阀4 ． 3 一 变量缸5 一 L S梭阀 图 1 负荷传感液压 同步系统图 1 ． 1 负载 敏感 泵工 作原 理 负载敏感泵工作原理如图 2所示。 l 一 负 载 敏 感 阀2 一 恒 压 阀3 一 变 量 缸 敏 感 4 一 变量缸弹簧 腔5 一 外接流量控制阀 图 2负载敏感泵原理 图 P 为负载需要 的压力 ，通过流量控制 阀 5的流量 9 ． 为负载需要的流量 。敏感阀的阀芯位移会引起泵斜 盘倾角的改变 。斜盘倾角的改变又引起流量和压力的 变化 ， 压力 、 流量 、 阀的位移的变化相互作用 ， 构成一个 负反馈过程。当它们达到平衡时， 泵就会在稳定状态下 工作。通过分别调节 L S阀、 压力补偿 阀的弹簧预压缩 量和流量控制阀． 可以得到需要的流量和压力 。泵的工 作状态可分为下面四个部分。 1 待机状态 。 负载停止工作时 ， 阀 5关闭 ， 系统处 于待机状态 。 泵 出口的压力油经过 L S阀和压力补偿 阀进入变量缸 敏感腔 ， 推动变量活塞减小斜盘倾角 ， 使得泵的流量减 小到最小值 ， 泵出 口压力降至与 L S阀调整弹簧弹力相 等。由于斜盘倾角不完全为零 ， 变量泵将产生一定 的小 流量 ， 用于补偿泵 自身的内泄漏。待机时系统处于低压 小 流量状 态 。 2 流量 自适 应状 态 。 当负载需求流量增大 ， 阀 5开度增大时 ， 泵输出流 量小于负载所需流量 ， 流过 阀 5的压差 △ p 减小 ， L S阀右腔负载压力 和调 整弹簧弹力之和大于左腔压 力 ． L S阀的阀芯左移 ，变量缸敏感腔油液经过 L S阀流 人油箱 ， 斜盘倾角增大 ， 泵排量增大 ， 压差增大 ， 直到和 L S阀弹簧弹力达到新的平衡。 当负载需求流量减小时， 阀 5开度变小 ． 则正好相反 。L S阀处于平衡状态时 ， 阀 5两端压降 △ p -- p 。 - p 恒定 ，等于 L s阀调整弹簧弹力 ， 从而系统输出流量恒定[ 3 1 。 3 压 力 自适应 状 态 。 当负载压力发生变化 ， 比如负载压力增加 ， 而流量 控制阀 5 的阀口开度保持不变 ， 此时 L S阀左移 ， 泵排 量增大 ， 出 口压力增大 ， 推动 L s阀芯右移 ， 经过快速的 动态振荡后达到平衡 ，泵 出口压力等于负载压力和弹 簧调整压力之和。反之 ， 当负载压力减小时 ， 则正好相 反 。因此泵 出口压力随着负载压力 的变化而变化 ， 其压 力差始终保持不变。 4 保压或过载状态。 系统处于保压或过载状态时 ，系统中的油液不再 流动 除内泄漏 ， 此时有 p _ p ， L S阀处于右位 ， 当P 逐 渐增大到恒压阀设定压力时 ， 恒压阀右移 ， 油液进入变 量泵敏感腔 ，使泵的排量减／ J , N仅能维持系统 自身 内 泄漏 ， 此时系统处于高压小流量状态。 2 ． 2双缸 同步 控 制负荷 传 感 系统 原理 双缸同步控制系统要求两个同步液压缸分别独立 可控 ．而负载敏感泵 只是实现 了单执行机构 中变量泵 和负载的匹配 ．所以需要利用压力补偿技术在负载敏 感 泵 的基 础上 加 入两 个 带 电液 比例流 量控 制 阀的压 力 补偿 阀来 实现 两 同步液 压缸 的独 立 可控 。 如 图 l 所示 。 负荷传感系统原理如 图 3所示 。 当控制阀开启 ， 泵 开始供油时 。最大负载压力通过 L s管路传递到 L S调 节器一端 ， L S调节作用使得泵 出 口压力 和负载压力 的 压差始终保持在一个设定值 - p _ p 。 不变。 因为液压泵 的出 口压力取决于最大负载压力 ， 所 以如 果没 有 压力 补 偿 阀 ．负 荷传 感 控制 将 只能 在 高压 回路起作用 。 在可控节流 口不变时 ， 低压 回路上 的流量 将随高压 回路负载的变化而变化 ，从而引起各执行器 之间的不协调 。压力补偿阀能很好地解决这个 问题 ， 它 能使各个回路都实现压力补偿 ，从 而使每一节流口压 差等于压力补偿 阀的弹簧设定值[ 4 1 。 2 3 液 压 气动 与 密 封 ， 2 O l 1 年 第 3期 l I 图 3负 荷 传 感 系统 原 理 图 当一个液压缸单独工作时 。 负载压力作用在 L S调 节器一端 ， 泵出13压力作用在 L s调节器另一端 ． 通过 L S调节器的补偿作用，保证泵出13压力和负载压力保 持在设定值 如 1 ． 5 MP a 。油液流过可控节流 口形成压 差作用于压力补偿 阀两端 ，通过设定压力补偿阀弹簧 预压 缩 量 ，使得 可 控节 流 口压差 为设 定值 设 为 0 ． 9 MP a ， 只要可变节流 口面积不变 ， 流量就不再受 负 载变化影响而保持恒定 ，液压缸 的运动速度就保持不 变 。泵 出 口压力 和可控 节流 口入 口压力 之间 的 0 ． 6 MP a 的压差， 则以压力损失的方式消耗在压力补偿阀口上。 当两个液压缸 同时工作时 ，两负载压力中最大值 将通过梭阀作用于 L S调节器右端 。 通过调节器 的补偿 作用 ， 泵出口压力将为最大负载压力和 L s调解压力之 和。 假设液压缸 I 的负载压力p l 2 1 MP a 。 液压缸 I I 的负 载压力p 2 1 6 MP a ，两负载压力经过梭阀比较后将液压 缸 I 的负载压力送到 L S口， 即有 p r s p 。 2 1 MP a ， 则 p p 2 2 ． 5 MP a ， P 和 P 2 作用在压力补偿阀 I I 的两端 ，此时， 若压力补偿 阀Ⅱ全开，不起节流作用 ，则压差值达到 △ p 2 2 2 ． 5 1 6 6 ． 5 MP a ， 大大超过了压力补偿阀Ⅱ的弹簧 预紧力 0 ． 9 MP a ， 这时 ， 阀芯将被推向阀口减小方 向， 减小阀口面积 ， 使得压力补偿阀 Ⅱ上的压差增大， 最终 达到 平衡 ， 这 时 ， △ p 0 ． 9 MP a ， 从 而可 知 ， 压力 补偿 阀 Ⅱ 上 因节 流消耗 掉的压 力是 5 ． 6 M P a 。 这 说 明 ， 无论液压 缸 I 和 Ⅱ的负载压力如何变化 ，压力补偿 阀都可通过改 变阀口开度来改变阀口上消耗的能量 ，最终使得可变 节流 口 I、 Ⅱ上的压力降相同。根据液压阀流量公式可 知， 在此系统中， 通过两可变节流 口的流量只与它们的 节流孔面积有关 ， 且 Q 。 ／ Q A ／ A ， 说 明， 只要控制各执 行机构的可变节流 口的面积一经调定 ，各动作间的流 量 比例关系便不再受外界干扰而保持不变 ，从而保证 各个动作精确地同步。 2 4 2 负荷传感系统的 A M E S i m建模 A ME m是法 国 I MA G I N E公 司 1 9 9 5年推 出的基 于键合图的液压／ 机械系统建模 、仿真及动力学分析软 件。A ME S i m采用类似功率键合 图法的方法建模 。 采用 图形方式来描述系统中各元件的相互关系。 能够反映元 件问的负载效应及系统中功率流动情况， 元件间均可反 向传递数据[5 1 。 2 ． 1 负载敏感泵模型 图4负载敏感泵的 A ME s i m模型1 6 1 。 图 4负载 敏 感 泵 AME S i m模 型 参考力士乐 A1 0 V变量泵 。 设定模型参数。设定负 载敏感阀弹簧压力为 2 MP a ， 负载压力为 3 MP a 。给节流 阀一个方波信号 ，模拟负载流量需求增大和减小两个 过程 ．得 到泵 输 出流 量响应 曲线 如 图 5所 示 。由 图可 知， 泵的正阶跃响应时间约为 5 0 m s ， 负阶跃响应时间约 为 4 0 ms ，与力士乐样本 中的响应时间基本一致 。说明 A ME S i m模型基本正确。 图5 泵流量输出方波信号响应 曲线 2 ． 2多路阀模 型 图 6为单片多路阀的 A ME S i m模 型。多路阀包括 压力补 偿 阀及 比例 流量控 制 阀。 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 ． 3 ． 2 0 1 l 图 6多路 阀 AME S i m模 型 给多路阀 0 ～ I O V的电压信号， 运行仿真模型， 得到 多路阀 P A口的流量特性 曲线 ， 如图 7所示 ， 仿真曲线 与厂家提供 的实验流量特性曲线基本一致 ，说明仿真 模型建立的比较准确。由图 8可知 ， A ME S i m模型压力 补偿阀两端压差始终保持恒定 ， 模型准确。 图 7多路阀 P A 口流量特性仿 真曲线 U o U Z U4 06 U器 l 0 时『 lIJ ／ s 图 8 压力补偿阀补偿压差特性 2 ． 3 双 缸 同步控 制负 荷传 感 系统 模型 负载敏感泵及其 多路 阀的 AME S i m模型建立后 ． 其它的液压元件均可在 A ME S i m的液压元件库中找到 相应 的模型。将负载敏感泵及多路阀模型“ 压缩一 打包” 成直观简易的图标 ，连接这些元件组成负荷传感双缸 同步控制系统模型 ， 如图 9所示。 图 9负荷传感 同步 系统模型 3 负荷传感同步系统仿真研究 3 ． 1 单个 液压 缸动 作 时 系统 仿真 研 究 只给一个多路 阀片电信号 ，使得只有单个液压缸 动作 。给定 电信号如图 l 0所示 ， 液压缸活塞杆受力如 图 l 1所示 ，设 定仿真采样 时间为 1 2 s ，采样 时间为 0 ． 0 0 1 s 。 运行仿真模型 。 得到单个液压缸动作时的压力 、 流量变化 曲线如图 1 2所示 图中曲线 1 为泵出口压力 P 。 变化曲线 ； 曲线 2为泵的 L S口感应压力 p r s ； 曲线 3 为 P 和 P 的压力差； 曲线 4为泵 出口流量变化曲线。 时 ， S 图 1 O流量控 制阀输入 电信号 9 o 8 0 7 0 童6 o 5 O 4o Ⅲ 3 0 20 1 0 0 时州 ／ s 图 1 1 液压缸活塞负载力 时 I 川／ s 图 l 2系统压力 、 流量 变化 曲线 由 曲线 2可知 ， 从开 始 到 1 2 s 时 ， 压力 P 一直 随着 外 负 载 的变 化 而变 化 ，在 1 2 ． 1 s左右 ， P 突然 降为 0 MP a ， 但此时外 负载为 4 0 k N。 这是 由于电信号下 降到 了 3 ． 5 V左右 ， 这时进入 了阀的死 区， 阀芯基本关闭 ， 中 位时多路阀 L S口与油箱接通 ， 故 P 降为 0 MP a 。 由曲线 3可知 ，系统运行过程中泵出 口压力 P 与 外 负 载 压 力 P 之 间 的 压 力 差 一 直 稳 定 在 1 ． 4 MP a左 右 ， 在 1 2 ． 1 s 时 ， 由于 阀芯 的突 然关 闭 ， 造 成 了压 差有 一 个较大的波动 。 由曲线 4可以看 出泵出口流量一直跟随着 电信号 的变化 而 变化 ， 没有 受到 负载 压力 变化 的影 响 。 3 ． 2双 缸 同步动 作 时 系统 仿真 研 究 假 设泵流量 充足 ，同时给 两片多路 阀不 同的信 号【 ， 如 图 1 3所示 ； 在两液压缸上也施加不 同的负载 力 ， 如 图 l 4所示 ； 运行仿 真模型 ， 得 到双缸 同步动作 时系统 的压力 变化 曲线 见 图 1 5 和流量变化 曲线 见 图 1 6 。 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 1年 第 3期 图 l 3流量控制阀输入电信号 图 1 4 液压缸活塞负载力 三 三 f ． ． ． ． ． ． 时 JH J ， S 图 1 5系统压力变化曲线 00 1 O 20 3 0 4 0 5 0 6 0 70 80 时 ／ s 图 1 6系统流量变化曲线 - - ● 一- ． - - 4 - ● 一 一 - - 一 一 - 一 - 图 1 3 、 l 4、 l 6中曲线 l 、 2分别为 回路 1 、 2的特性 曲线 ， 图 l 5中曲线 1为泵 出 口压力 ， 曲线 2 、 3分别为 回路 1 、 2压力 ，曲线 4为泵 出口压力与外负载最高压 力 的压差曲线。 由图 1 5可知 ． 泵出E l 的压力与两回路中的最高压 力之差 恒定 在 1 ．4 MP a 左 右。 由图 l 6可以看出 ， 两回路流量与两回路中流量阀 的输入电信号成正比，而两回路的负载变化不影响对 方的流量。 4 结束语 将负荷传感技术应用于液压同步控制系统，不仅 解决 了偏载情况下的双缸同步问题 。而且提高了整个 系统的效率， 达到了节能的目的。同时不受负载变化影 响的稳定输 出流量使液压缸速度稳定 。减少了负载突 变对液压缸的冲击， 提高了系统的可靠性。 参 考文献 【 1 】 苏东海 ， 等． 液压 同步控 制系统及 其应用【 J 】 ． 沈 阳工业大学学 报 ， 2 0 0 5， 2 7 4 ． 【 2 】 李经源 ， 等． 模糊控制在 同步运动 中的应用[ J ] ． 液压气动与密 封． 2 0 0 6 2 ． 【 3 】 兰箭 ， 等． 负荷传感 系统工作原 理及分析[ J ] ． 矿 山机 械 ， 2 0 0 7 1 0 ． 【 4 】 刘江丽． 旋挖钻机钻桅垂直度控制系统的研究[ D 】 ． 中南大学 ， 2 0o 7． [ 5 】 王炎 ， 等． 负载敏感 泵的动态 特性 分析与仿 真研 究【 J ] ． 现代制 造工程 ， 2 0 0 8 1 2 ． 【 6 】 苏东海， 孙 占文． A M E S i m仿真技术在电液位置同步 系统 中的 应用【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 6 ． [ 7 】 李 长春 ， 等． 电液伺 服系 统的 同步控 制研究 【 J 】 ． 兵 工学报 ， 2 0 0 7， 2 8 6 ． - - - - -t -- - 一 - - 一 - 一 一 一一 与铁路基建齐飞 工程机械迎来重要战略机遇 我国成为跃居全球最大工程机械市场。 数据显示， 我国占全球工程机械市场的份额 ， 已从 l O年前的 7 ％， 迅 速攀升到去年的 3 1 ％。我国工程机械市场的迅速膨胀 ， 其根本原因是我国经济的快速增长、 内需 的扩大和基础 设施建设 的持续升温。其中， 我国铁路营运里程 ， 将从去年的 8 ． 6万公里增至 2 0 2 0年的 l 2万公里以上 ； 高速公 路里程 ， 将从去年的 6 ． 5万公里增加到 2 0 2 0年的 l 0万公里 ； 城镇户均住房面积 ， 将从 2 0 0 8年 的 6 0平方米增 至 2 0 2 0年的9 0平方米； 能源建设 ， 到 2 0 2 0年我国将投入 8万亿元人 民币。 这些都直接刺激了我国工程机械市 场 的发展壮大 。