基于SimulationX的电控变速液压系统仿真研究.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０２５ 收稿日期 ２０１５－０１－２１ 作者简介 姜友山 （１９８１）， 男， 硕士， 工程师， 主要从事工程机械液压系统及元件的应用与研究。 Ｅ－ｍａｉｌ ｓｈａｎｄｏｎｇｌｉ⁃ ｇｏｎｇｓｈａｎ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 的电控变速液压系统仿真研究 姜友山， 金轲， 刘存波 （山东山推工程机械股份有限公司， 山东济宁 ２７２０２３） 摘要 传统的工程机械变速系统不利于减轻驾驶员劳动强度、 提高操作舒适性， 而电控变速系统则能很好地解决这一 问题。 描述了电控变速系统的原理， 应用 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 软件对该系统压力变化进行仿真分析， 总结出影响因素和规律， 为系 统设计提供理论依据。 关键词 电控变速系统； ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 仿真； 压力变化 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０７８－３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ ＪＩＡＮＧ Ｙｏｕｓｈａｎ， ＪＩＮ Ｋｅ， ＬＩＵ Ｃｕｎｂｏ （Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｓｈａｎｔｕｉ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｊｉｎｉｎｇ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２７２０２３， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｎｏｔ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｍｆｏｒｔ． Ｈｏｗｅｖｅｒ， ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ． Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃ⁃ ｔｏｒｓ ａｎｄ ｒｕｌｅｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｙ ｐｒｏｏｆｓ ｆｏｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍｓ； ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ 工程机械广泛应用于矿山、 水利、 建筑、 公路、 港口和国防工程等领域， 作业工况比较恶劣， 在工作 过程中驾驶员需要根据实际工况经常变化整机速度。 目前国内外生产的大多数工程机械变速操纵的方式主 要是机械连杆加软轴的结构形式， 即采用一定杠杆比 的操纵杆， 通过钢丝软轴或直接连接到滑阀来操纵变 速离合器的分离与结合。 这种方式的作业性能、 可靠 性、 操作性能和维修方便性不高。 减轻驾驶员的劳动 强度、 提高操纵的舒适性是推土机未来的发展趋势， 电控变速系统则能满足上述要求。 电控变速系统的研制过程耗时多、 耗资大， 因 此， 运用 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 进行仿真和优化， 对降低成本、 缩短产品开发周期等具有重要意义。 １ 系统原理 变速阀作为机械连杆式变速系统的核心部件， 主 要包括如下几部分 调压阀、 快回阀、 速度阀、 方向 阀， 其中快回阀起到触发调压信号的作用， 其原理如 图 １ 所示。 若用压力开关取代快回阀、 比例阀取代调 压阀、 电磁阀取代速度阀和方向阀， 再配合相应的控 制策略， 则机械连杆式变速系统将会演变为一个全新 的电控变速系统。 文中所示电控变速系统原理如图 ２ 所示。 各挡位 均选用比例溢流阀作为先导， 进行调压， 互不干涉。 充油时间由压力开关信号控制， 不需人为判断调压启 始时间。 比例溢流阀断电时， 先导处于溢流状态， 主 阀芯在复位弹簧作用下处于初始位置， 主油路油液无 法通至离合器油， 整机未接入挡位； 比例溢流阀通电 时， 先导处于非溢流状态， 主阀芯在先导压力作用下 变换位置， 使得主油路油液通至离合器， 整机接入挡 位。 控制速度和控制方向的比例溢流阀各一个同时通 电， 整车将以相应的挡位行驶。 图 １ 机械连杆式变速系统图 ２ 电控变速系统原理 ２ 基于 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 的电控变速系统仿真分析 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 是德国 ＩＴＩ 公司推出的一款分析评价 技术系统内部各部件相互作用的权威软件， 是多学科 领域建模、 仿真和分析的通用 ＣＡＥ 工具。 它可以在 统一的平台上实现多学科领域的建模和仿真， 建模语 言采用 Ｍｏｄｅｌｉｃａ 语言， 通用性强， 采用基本元素组合 建模， 可以使用户把主要精力用于物理系统本身的设 计， 避免了大量的数学计算和程序编写。 该软件支持 基本元素和元件级、 方块图级、 数学方程式级的建模 方式， 不同用户可以根据各自习惯选择相应的建模方 式［１－２］。 文中以 １ 挡为例进行模型搭建， 其他挡位与 之相似。 仿真模型如图 ３ 所示。 模型搭建完成后， 需预设系统参数， 主要参数设 置如表 １ 所示。 图 ３ 电控变速系统 １ 挡仿真模型 表 １ 主要参数设置 元件名称参数设置 ＳｐｒｉｎｇＤａｍｐｅｒ１Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ ｋ＝３０ Ｎ／ ｍｍ ＰｉｓｔｏｎＡｒｅａ１Ｒｏｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄｉｎ＝１２ ｍｍ； Ｐｉｓｔｏｎ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄｏｕｔ＝１９ ｍｍ Ｓｏｕｒｃｅ２Ｆｏｒｃｅ Ｆ＝３２０ Ｎ ＰｉｓｔｏｎＡｒｅａ２Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄｉｎ＝１０ ｍｍ ＰｒｅｓｓｕｒｅＲｅｌｉｅｆＶａｌｖｅＳｅｔ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｓｅｔ＝２􀆱 ５ ＭＰａ ＰｒｏｐＰｉｒＶａｌｖｅ２２ａ１Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｍｉｎ＝０； Ｍａｘｉｍｕｍ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｍａｘ＝８００ ｍＡ ＰｒｏｐｄｉｒＥｄｇｅ２２ｂ１Ｓｐｏｏｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄ＝１９ ｍｍ ＰｒｏｐｄｉｒＥｄｇｅ２２ａ１Ｓｐｏｏｌ Ｄｉａｍｅｔｅｒ ｄ＝１９ ｍｍ ＳｐｒｉｎｇＤａｍｐｅｒ２Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ Ｃｏｎｔａｃｔ ｋ＝６４􀆱 ２ Ｎ／ ｍｍ （下转第 ８２ 页） ９７第 ８ 期姜友山 等 基于 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 的电控变速液压系统仿真研究 ４ 基于 π 桥液阻网络平衡阀的下降工况仿真 采用 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制的平衡阀液压起升 系统， 当重物处于下降工况时， 换向阀处于左位。 其 输入信号如图 ３ 所示。 分别对 Ｆ 型 π 桥液阻网络控 制的平衡阀起升系统和半桥液阻网络控制的平衡阀起 升系统的下降工况进行仿真， 仿真结果如图 ４ 和图 ５ 所示。 图 ３ 换向阀的输入信号 图 ４ 负载的下降速度 图 ５ 负载的下降位移 可知 采用 Ｆ 型 π 桥液阻网络控制的平衡阀起 升系统和半桥液阻网络控制的平衡阀起升系统， 在下 降工况时， 其速度位移曲线相差不大， 因此， Ｆ 型 π 桥液阻网络可以很好地克服过补偿阻尼的不足。 ５ 结论 详细介绍了布赫平衡阀的工作原理， 将 Ｆ 型 π 桥液阻网络应用于平衡阀的先导控制端， 并对 Ｆ 型 π 桥液阻网络进行改进。 最后对 Ｆ 型 π 桥液阻网络控 制的平衡阀起升系统的下降工况进行仿真， 仿真结果 表明 Ｆ 型 π 桥液阻网络可以很好地克服过补偿阻尼 的不足。 参考文献 ［１］ 朱小明．单向顺序阀和平衡阀的区别 兼对平衡阀 和双向液压锁的正确选用一文的异议［Ｊ］．建筑机械， ２００７（１１）８８－８９，９５． ［２］ 胡燕平．液阻网络系统学［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２００３． ［３］ 吴琼．中小吨位汽车起重机液压工作回路仿真及实验研 究［Ｄ］．沈阳沈阳建筑大学，２０１１． ［４］ 李壮云．液压元件与系统［Ｍ］．北京机械工业出版社， ２０１１． ［５］ 付永领，齐海涛．ＬＭＳ Ｉｍａｇｉｎｅ．Ｌａｂ ＡＭＥＳｉｍ 系统建模和 仿真实例教程［Ｍ］．北京北京航空航天大学出版社， ２０１１． ［６］ ＨＵ Ｙ，ＨＵＡＮＧ Ｚ，ＬＩＵ Ｄ，ｅｔ ａｌ． Ｄｅｓｉｇｎ Ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ Ｇ⁃π Ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｌｉｅｆ Ｖａｌｖｅ ｗｉｔｈ Ｚｅｒｏ Ｏｖｅｒｒｉｄｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４（３）４６３－４６５． （上接第 ７９ 页） 图 ４ 不同液压先导作用面 积下变速压力变化 通过仿真发现， 影响 电控变速系统压力变化的 主要因素为变速阀主阀芯 一端所受先导力与离合器 反馈压力作用面积比。 图 ４ 为先导压力侧不同主阀 芯 小 径 条 件 下 仿 真 效 果图。 通过仿真结果可以看 出， 先导侧主阀芯小径不同， 变速离合器压力变化趋 势变化不大， 但压力变化初始位置不同。 表现为先导 侧主阀小径越大， 压力变化初始位置相应滞后。 原因分析 变速阀先导侧主阀芯大径一定时， 小 径越大， 主阀芯空腔越大， 液压先导力作用面积相应 变小， 主阀芯移动则需要更大的液压先导力， 而液压 先导力的建立是随着时间的增加而增加的， 故变速离 合器内压力变化过程相应滞后。 先导侧主阀芯小径的增大是有一定限度的， 其极 限值为 先导侧主阀小径增加使先导压力达到系统设 定压力。 ３ 结论 ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 仿真结果表明 该仿真模型能较真实 地反映电控变速系统变速压力变化， 通过对电控变速 阀系列参数的设置及优化， 为电控变速系统设计提供 了数据支持。 文中所述电控变速系统压力变化与理论 要求基本一致， 符合设计要求。 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，２００５． ［２］ 刘艳芳．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＸ 精解与实例［Ｍ］．北京机械工业出 版社，２０１０． ［３］ 田小燕，刘海兵，徐诗辉，等．车辆冷却风扇电液比例液 压系统分析及试验研究［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（２） ７０－７１． ［４］ 路华鹏，马彪， 陈漫，等．军用车辆静液压驱动冷却风扇 系统设计［Ｊ］．液压与气动，２００７（５）２２－２４． ［５］ 吴阳，秦四成，张学林，等．装载机冷却风扇液压驱动特 性分析［Ｊ］．建筑机械，２０１３（１２）６７－７１． ［６］ 姜友山，金轲，韦海云．混合动力推土机功率匹配控制研 究［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（４）８７－８８． ［７］ 赵大兴，杨勇，许万，等．基于 ＡＤＡＭＳ 和 ＭＡＴＬＡＢ 数控 机床进给驱动系统的机电联合仿真［Ｊ］．机床与液压， ２０１４，４２（１０）２８－３１． ［８］ 李光飞，刘桓龙，邓斌，等．液动力对锥阀振动特性的影 响［Ｊ］．机床与液压，２０１４，４２（５）２８－３０． ２８机床与液压第 ４４ 卷