基于AMESim的液压回油节流调速回路建模与仿真.pdf

第 2期 总第 1 9 5期 2 0 1 6年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL E NGI NE ERI NG ＆ | AUT0MAT1 0N NO ． 2 Apr ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 6 0 2 - 0 0 6 9 0 2 基于 AME S i m 的液压 回油节流调速 回路建模 与仿真 刘 伟 ，赵锬鸿。 1 ．中国矿业大学 北京机 电与信 息工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京科技大学 机械工程学 院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 介绍 了节流调速 回路的工作原理 ，并对其特性进行理论 分析 ，利用 A ME S i m仿真软件对 回油节流调速 回路进行建模和仿真，获得 回油节流调速 回路 的基本特性，从 而为 回油节流调速 回路的设计 与优化提供参考。 关键 词 回油 节流调速 回路 ；AME S i m；模 型；仿 真 中围分类号 T P 3 9 1 ． 7 TH1 3 7 文献标识码 A 1节流 调速 回路 工作 原理 现代液压传动系统越来越复杂， 但都是 由一些基本 回路组成 。在一切液压系统中， 实现功率传递的调速回 路 占有重要地位， 调速 回路按其调速方式的不同分为节 流调速回路、 容积调速回路和容积节流调速回路 3 类 。 当液压系统采用定量泵供油， 且泵的转速基本不 变时， 泵输 出的流量基本不变， 其与负载的变化 以及速 度 的调节无关 。要想改变输入液压执行元件的流量 ， 就必须在泵 的出 口处并接一条装有溢流 阀的支路 ， 将 液压执行元件工作时的多余流量经过溢流阀或流量 阀 流回油箱 ， 这种调速方式称 为节流调速 回路口 ] 。它主 要 由定量泵、 执行元 件、 流量控制 阀 节流 阀、 调速 阀 等 和溢流阀等组成 ， 其 中流量控制 阀起流量 调节作 用 ， 溢流阀起调定压力 溢流时 或过载安全保护作用。 回油节流调速回路的工作原理就是通过改变回路 中的流量控制阀通流面积的大小来控制流量 ， 以调节 其运动速度 。在执行元件 的回油路 上串接一个 流量 阀， 即构成 回油节流调速 回路 。液压泵输出的流量 ， 一 部分进入液压缸无杆腔 ， 推动活塞运动 ， 然后经过节流 阀流回油箱 ； 另一部分 的油液经溢流阀流回油箱 。溢 流阀溢流是这种调速回路 能够正常工作的必要 条件 。 调节节流阀的通流面积 ， 即可调节通过节流阀的流量 ， 从而调节液压缸的运动速度。 2 回油节流调速回路的理论分析 回油节流调速回路中执行元件工作速度与负载之 间的关系称为速度一负载特性 。回油节流调速回路如 图 1 所示 ， q 为泵出 口流量 ， P ，为供 油压力 ， A q为溢 流 阀流量 ， q 为 进 油 腔 流 量 ， P 为进 油 腔 压 力 ， P 为 回油腔压力 ， q z为回油腔流量 ， A 为节流阀通流截面 积 ， A p T为节流阀处工作压差 ， P 。为节流阀出 I 1 压力 ， F为液压缸上 的外负载。当不考虑 回路 中各处摩擦力 作用和管路的压力损失时 ， 活塞工作的速度、 活塞受力 方程和回油路上的流量连续方程 分别为 一 ． 1 一 一 ． 【 1 2 P1 A F P2 A2 ． 2 q 2一 CA T Ap 、 一 CA T P2 一 P。 ． 3 其中 为活塞运 动速度 ； A 为进油 腔有效 面积； A 为回油腔有效面积 ； C为节流阀的系数； 为节流 阀的 指数 。 图 1 回油节流调速 回路 图 由式 1 ～式 3 可得 一 ． ㈩ 式 4 表 明 液压 缸 的运 动速度 受 到节流 阀通 流截 面积 A 和负 载 F 的影 响 。 活塞运动速度受负载影响的程度可以用回路速度刚 性来评定， 速度刚性 k 是 回路对负载变化抗衡能力的 一 种说明， 其定义为速度一负载曲线上一点处切线斜率 的负倒 数 一 一 ． 。 ㈤ 其中 a为速度 一负载特性曲线上一点处切线与横坐 标轴正方 向夹角。 收稿 日期 2 0 1 5 ～ 0 4 2 3 ；修订 日期 2 0 1 6 0 2 1 0 作者简介 刘伟 1 9 8 9 一 ，男 ，河北 邯郸人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方 向为机 电一体化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 O 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 6年第 2期 压 力式 回油 节 流调 速 回路 的 速度 刚性 可 由式 4 和式 5 求得 k 一 A PP A 1 一 F C A P A】 --F 由式 6 看到 当节流阀通流面积不变时 ， 负载越 小 ， 速度刚性越高 ； 当负载一 定时， 节流阀通流面积越 小 ， 速度刚性越高 。 回油节流调速回路输出功率 P的计算公式为 P F ． 7 由式 1 、 式 2 、 式 3 、 式 4 和式 7 可以得到 A PCAT P I I 1 一 P 2 ． 8 n2 △ 式 8 在 P 。 一。和 P 。 一P ， 处都等于零 ， 在两者 12 之间的 P 一 处则有一极大值 ’ 2 Pm ． x -- [ A ． 9 L 1 l ⋯ J ‘ ⋯ J 0 2 由式 9 可知 ， 回油节流调速回路的输出功率受节 流阀通流截面积和负载等影响。 3 回油节流 调速 回路 的 A MF _N i m建模 仿真及结 果分析 3 ． 1模 型 的建 立 进入 AME S i m环境 ， 在 S k e t c h模式下 ， 调用系统 所提供的液压库 、 机械库 和信号库建立如图 2所示的 系统模 型。该系统模型主要 由电机 、 定量泵 、 溢流阀、 单作用液压缸 、 节流 阀、 质量块 和信 号源等 构成。在 S u b mo d e l 模式下 ， 为每个元件选择默认首选子模型_ 3 ] 。 ④ 2 l 一定量泵 ； 2 一 电动机 ； 3 一单作用液压缸 ； 4 ～节流阀 ； 5 一质量块 ； 6 一信号源 ； 7 一溢流阀 图 2 回油节流调速 回路 的仿真模 型 3 ． 2 仿 真 参数 的设 置 点击 P a r a me t e r mo d e按钮进入参数模式 ， 对仿真 模型中每个元件设置所需要的参数 。元件参数设置如 表 1 所 示 。 3 ． 3 仿 真 分析 40 0 3 0 0 ∞ 20 0 目 ＼ 1 0 0 O ～-、● ． n - 。 、， ． - 上 --- ， 立 ’ ～ ’ 、 ’、 - _ 、 一 - 、 ’ _ _ - 5 1 O 1 5 2 0 25 3 0 F／ k N 一 1 0 8 1 0 ．6 1 O 鲁 4 1 0 4 2 1 0 0 点 击 S i mu l a t i o n mo d e按钮进行仿 真， 设置仿真 时间为 1 0 S ， 通信间隔为 0 ． 0 5 S 。得出如下仿真结果 1 当设 置 节 流 阀 等 效 孔 径 分 别 为 1 mm、 1 ． 5 mm、 2 mm 时 ， 节流阀通流截 面积分别为 A 、 A 、 A 。 ， 得 到速 度 一负 载特 性 曲线如 图 3所 示 。在其 他条件不变的情况下 ， 当负载压力一定时 ， 开 口 A 越 大 ， 液压 缸运 动 速度 越 大 ； 当节 流 阀通 流 面 积一 定 时 ， 负载压力增大 ， 液压缸运动速度减小； 负载压力有最大 值限制 ， 符合理论分析 ， 即其值要小于等于 P A 。 2 在其他条件不变 的情况下 ， 当设置节流 阀等 效直径分别为 1 mm、 1 ． 5 mm、 2 mm 时 ， 相应节 流阀通 流截 面积分别为 A 、 A A 。 ， 得到不同节流 阀面积 时 的速度 刚性 与负 载 的关系 曲线 ， 如 图 4所 示 。 由图 4分析可知 当节流阀通流面积 A 为定值 时， 负 载 F越 大 ， 系统速 度 刚度 k 越 小 ； 反 之 ， 若 F 越小 ， 则 越大。当负载 F为定值 时， 节 流 阀通 流截面积越 大 ， 则系统速度刚度 是 就越小 ； 反之 ， 节流阀通流截面 积 越小 ， 则 是 越 大 。 3 在其他条件不变 时， 设 置节 流阀等效孔径分 别 为 1 mm、 1 ． 5 mm、 2 mm， 则相 应节 流 阀通 流截 面积分 别为 A 、 Ar 、 A 。 ， 得到不 同节流 阀通流截 面 积的输出功率与 回油腔压力的关系曲线 ， 如图 5所示 。 由图 5分析可知 当回油腔压方 P 一定时 ， 节流阀通 流截面积越大 ， 输出功率越大 ； 反之 ， 节流 阀通流面积 越小， 则输出功率越小。当节流阀通流截面积一定时， 输出功率随着回油腔压力 P 。 的变化先增大后减小 ， 在 P ≈6 ． 7 MP a时取得 最大 值 。 表 1元件参数列表 子模型 标号 标题 数值 p u mp d i s p l a c e me n t 5 0 mI ／r P u m p O 1 1 t y p i c a l s p e e d o f p u mp 1 0 0 0 r ／ rai n P mo v e r 0 1 2 s h a f t s p e e d 1 0 0 0 r ／ rai n p i s t o n d i a me t e r 5 0 mm Ac t u a t o r 0 0 1 3 r o d d i a me t e r 2 5 mm l e n g t h o f s t r o k e 1 m Fl o wc o n t r o l 01 4 e q u i v a l e n t o r i f i c e d i a me t e r M a s s 2 p o r t一1 5 2 O kg o u t p u t a t s t a r t o f s t a ge 1 5 0 0 0 S i g na l 0 3 6 ou t p u t a t e n d o f s t a ge 1 40 0 0 0 d ur a t i o n o f s t a g e 1 5 S r e l i e f v a l v e c r a c k i n g p r e s s ur e l 5 M Pa Pr e s s c o n t r o l 0 1 7 r e l i e f v a l v e f l o w r a t e p r e s s u r e 2 I ／ mi n ／ MP a g r a d i e n t b．U 一 ； 4．O 3．0 ／ A 、、． 2．0 葶 二二 1．0 图 3 不同节流 阀面积 的 图 4 不 同节流 阀面积的速 度 图 5 不同节流阀面积 的输 出功 率与 速度 一负载 特性 曲线 刚度与负载关 系 回油腔压 力关 系 4结论 NN _ 回路中所有元件的仿真模型， 应用 AME S i m对液 1 利用 AME S i m 中的元件库构建 了液压节流 下转第 7 3页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m