基于AMESim的容積調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

劉新釗，劉軍營，劉 軍，李國棟

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東淄博255091）

傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速回路由定量泵、節(jié)流閥、溢流閥和執(zhí)行元件等組成，通過改變節(jié)流閥通流面積的大小，調(diào)節(jié)和控制流入或流出執(zhí)行元件的流量，達(dá)到調(diào)節(jié)執(zhí)行原件速度的目的［1]．節(jié)流調(diào)速回路的結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，可進(jìn)行微小流量調(diào)節(jié)，設(shè)備制造成本較低，維護(hù)方便．但是由于節(jié)流調(diào)速回路的效率不高，而且通過節(jié)流閥時(shí)會(huì)發(fā)熱，壓力越大，發(fā)熱越嚴(yán)重，這會(huì)引起油路的泄漏，也會(huì)影響到負(fù)載運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性．容積調(diào)速回路通過變量泵與比例節(jié)流閥等控制閥配合，進(jìn)行調(diào)速控制，其特點(diǎn)是能量損失小，效率高，并能實(shí)現(xiàn)多種功能的復(fù)合控制［2]．與傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)速液壓系統(tǒng)相比，容積調(diào)速能夠滿足負(fù)載流量的要求，使泵的輸出流量與負(fù)載所需流量相匹配，大大降低了能耗損失［3－4]．因此，容積調(diào)速回路在大功率的工程機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用．____

1 容積調(diào)速系統(tǒng)方案及調(diào)節(jié)原理

1．1 方案的建立

根據(jù)工程機(jī)械中對液壓系統(tǒng)所要求的調(diào)壓、調(diào)速范圍大、功率損失小等特點(diǎn)，建立如圖1所示的容積調(diào)整系統(tǒng)方案簡圖，該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

1）容積變量泵采用斜盤式軸向柱塞泵，容積效率高，變量方便．

2）系統(tǒng)的流量和壓力分別采用一個(gè)二位三通閥來控制，可以根據(jù)具體要求選擇合適的參數(shù)，具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制性能．

3）系統(tǒng)壓力和負(fù)載所需流量可以實(shí)現(xiàn)比例控制，特別適合用在需要多級壓力流量控制的工程機(jī)械中．

4）在變量大缸的通路上布置了如圖1所示的阻尼孔R1，R2，R3，這樣有助于提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性［5－6]．

圖1 容積調(diào)速系統(tǒng)方案

1．2 調(diào)節(jié)原理

容積變量泵輸出流量的大小取決于斜盤傾角α的大小，而α的大小又是通過變量缸的作用來改變的．通過改變變量大缸活塞的位置來實(shí)現(xiàn)斜盤傾角α的變化，從而實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量的變化．

1）流量調(diào)節(jié)階段

當(dāng)負(fù)載壓力小于比例壓力閥的設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)處于流量調(diào)節(jié)狀態(tài)．由于節(jié)流器無流量通過，所以節(jié)流器兩端的壓差為0，因此恒壓閥閥芯此時(shí)處于左端位置而不起控制作用．

負(fù)載壓力和負(fù)載所需流量的變化會(huì)導(dǎo)致比例節(jié)流閥兩端壓差的增大或減小，使恒流閥閥芯右移或左移，恒流閥閥芯位置的變化使恒流閥開口大小發(fā)生變化，從而使變量大缸內(nèi)的壓力發(fā)生變化，此壓力推動(dòng)斜盤，使斜盤傾角發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)泵的輸出流量的變化．

2）壓力調(diào)節(jié)階段

當(dāng)負(fù)載壓力大于比例壓力閥的設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)處于恒壓狀態(tài)．由于負(fù)載壓力大于比例壓力閥的設(shè)定壓力，所以節(jié)流器有流量通過，在節(jié)流器兩端壓差的作用下，恒壓閥閥芯迅速右移，使恒壓閥開口增大，變量大缸內(nèi)的壓力迅速升高，從而推動(dòng)斜盤，使斜盤傾角迅速下降到接近于0，系統(tǒng)處在恒壓小流量的節(jié)能狀態(tài)．

2 容積調(diào)速系統(tǒng)的AMESim建模及參數(shù)設(shè)置

利用AMEsim軟件建立的容積調(diào)整系統(tǒng)仿真模型如圖2所示．圖2中，恒流閥、恒壓閥、變量大小缸由HCD（液壓元件設(shè)計(jì)庫模塊）構(gòu)建而成，經(jīng)過仿真模型的反復(fù)調(diào)試和參數(shù)優(yōu)化，將仿真模型的參數(shù)設(shè)置如下：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 000r／min、容積變量泵最大排量100L／min、比例節(jié)流閥設(shè)定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6mm、恒流閥閥芯直徑6mm、恒流閥彈簧預(yù)壓力42．39N、恒壓閥彈簧預(yù)緊力為5N、變量大缸直徑50mm、變量小缸直徑20mm、液壓油密度850kg／m3、液壓油工作溫度40℃．

3 容積調(diào)速系統(tǒng)仿真分析

3．1 流量調(diào)節(jié)特性仿真分析

調(diào)節(jié)圖2中模型的輸入?yún)?shù)，調(diào)節(jié)負(fù)載壓力設(shè)置閥，使負(fù)載壓力（比例節(jié)流閥出口壓力）按圖3（a）中曲線2所示進(jìn)行變化，設(shè)定比例節(jié)流閥的輸入信號按圖3（b）所示變化，其中0表示比例節(jié)流閥開口完全關(guān)閉，1表示比例節(jié)流閥開口完全打開，比例節(jié)流閥開口完全打開時(shí)，負(fù)載所需流量為100L／min，比例節(jié)流閥開口在0～1的變化范圍內(nèi)可以按比例調(diào)節(jié)．設(shè)定斜盤的最大傾角為21°，設(shè)定仿真時(shí)間為1．5s，采樣時(shí)間間隔為0．001s，得到的仿真曲線如圖3所示．

由圖3所示的仿真圖可以得到以下結(jié)論：

1）如圖3（a）所示，在流量調(diào)節(jié)階段，泵的輸出壓力隨負(fù)載壓力的變化而變化，且兩者之間相差一個(gè)很小的固定值，因此該系統(tǒng)的節(jié)流損失很小．

2）如圖3（b）和圖3（f）所示，泵的輸出流量能夠根據(jù)負(fù)載所需流量的變化而變化，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的溢流損失．

3）如圖3（c）并結(jié)合圖3（a）和圖3（b）所示，當(dāng)負(fù)載壓力和負(fù)載所需流量變化時(shí)，恒流閥閥芯位偏離原來的平衡位置，使恒流閥開口大小發(fā)生變化．

4）如圖3（c）所示，在0．5s和1s時(shí)，恒流閥閥芯位置的變化使恒流閥的開口大小發(fā)生變化，從而使變量大缸內(nèi)的壓力出現(xiàn)如圖3（d）所示的變化情況．

5）變量大缸內(nèi)的壓力變化，改變變量大缸的活塞位置，使斜盤傾角按照如圖3（e）所示變化，從而使泵的輸出流量按照如圖3（f）所示變化．

圖2 容積調(diào)速系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖3 恒流閥流量調(diào)節(jié)特性

3．2 壓力調(diào)節(jié)特性仿真分析

調(diào)節(jié)圖2中模型的輸入?yún)?shù)，調(diào)節(jié)負(fù)載壓力設(shè)置閥，設(shè)定負(fù)載壓力在0～0．5s時(shí)間段內(nèi)為5MPa，在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)為16MPa，設(shè)定比例壓力閥的壓力為15MPa，比例節(jié)流閥的輸入信號為0．5，此時(shí)負(fù)載所需要的流量為50L／min．設(shè)定仿真時(shí)間為1s，采樣時(shí)間間隔為0．001s，得到的仿真曲線如圖4所示．

由圖4所示的仿真圖可以得到以下結(jié)論：

1）如圖4（a）所示，在0～0．5s時(shí)負(fù)載壓力設(shè)置閥設(shè)定壓力為5MPa，小于比例壓力閥的設(shè)定壓力15MPa，系統(tǒng)處于流量調(diào)節(jié)階段，此時(shí)泵的輸出壓力僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)固定的壓差．在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)，由于負(fù)載壓力設(shè)置閥的設(shè)定壓力為16MPa，高于比例壓力閥的設(shè)定壓力15MPa，此時(shí)泵的輸出壓力為定值15MPa．

2）如圖4（b）所示，在0～0．5s時(shí)間段內(nèi)，恒壓閥閥芯為負(fù)值，說明在此階段內(nèi)，系統(tǒng)處于流量調(diào)節(jié)狀態(tài)，恒壓閥閥芯處在左端位置，不起控制作用．在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)，此時(shí)負(fù)載壓力大于比例壓力閥的設(shè)定壓力，如圖4（b）所示，在節(jié)流器的作用下，恒壓閥閥芯迅速右移，此時(shí)恒壓閥位移由負(fù)值變?yōu)?．

圖4 恒壓閥壓力調(diào)節(jié)特性

3）如圖4（c）所示，在0～0．5s時(shí)間段內(nèi)，由于負(fù)載壓力和負(fù)載所需流量保持不變，因此，恒流閥閥芯位移不變，變量大缸的壓力保持恒定．在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)，由于恒壓閥閥芯迅速右移，使恒壓閥閥口迅速增大，在泵出口壓力的作用下，變量大缸壓力迅速升高．

4）如圖4（d）所示，在0～0．5s時(shí)間段內(nèi)，由于負(fù)載壓力和負(fù)載所需流量保持不變，因此，因此斜盤的傾角不變，如圖4（e）所示，此時(shí)泵的輸出流量保持不變．在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)，由于變量大缸壓力迅速升高，從而推動(dòng)斜盤，使斜盤傾角迅速下降到接近于0，因此泵的輸出流量迅速下降到接近于0，僅輸出維持系統(tǒng)保壓和泄漏所需要的流量．

5）在0．5～1s時(shí)間段內(nèi)，由于泵的輸出流量接近于0，因此流經(jīng)比例節(jié)流閥的流量也接近于0，所以比例節(jié)流閥兩端的壓差接近0．泵的出口壓力與負(fù)載壓力幾乎相等，此時(shí)的負(fù)載壓力為比例節(jié)流閥出口端的壓力．

4 結(jié)束語

容積調(diào)整系統(tǒng)中在流量調(diào)節(jié)階段，泵的輸出流量能夠根據(jù)負(fù)載所需要的流量的變化而變化，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的流量損失．而且，泵的輸出壓力僅比負(fù)載壓力高出一個(gè)很小的固定值，所以系統(tǒng)的節(jié)流損失很?。趬毫φ{(diào)節(jié)階段，系統(tǒng)處在高壓小流量的節(jié)能狀態(tài)，避免了傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)的高壓溢流損失．

設(shè)計(jì)時(shí)采用兩個(gè)二位三通閥來控制系統(tǒng)的壓力和流量，可以根據(jù)要求合理選取閥的參數(shù)，得到了滿意的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制特性．通過仿真，可以觀察一些不易得到的參數(shù)變化情況，如閥芯位移、變量大缸壓力等，為系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒．

［1] 劉軍營．液壓與氣壓傳動(dòng)［M] ．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008．

［2] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等．新編實(shí)用電液比例技術(shù)［M] ．杭州：浙江大學(xué)出版社，2006．

［3] 黃新年，張志生，陳忠強(qiáng)．負(fù)載敏感技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J] ．流體傳動(dòng)與控制，2007（5）：28－30．

［4] 張友根．注塑機(jī)節(jié)能液壓系統(tǒng)的應(yīng)用分析與研究［J] ．流體傳動(dòng)與控制，2008（1）：44－47．

［5] 路甬祥，胡大纮．電液比例控制技術(shù)［M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988．

［6] 李壯云，葛宜遠(yuǎn)．液壓元件與系統(tǒng)［M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999．