基于AMESim的某液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器仿真研究

付久長，米雙山，劉鵬遠，韓翠娥，張王衛(wèi)

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊050003)

蓄能器作為液體壓力能的儲存和釋放裝置，在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的運用。某液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器是集蓄能器、單向閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥于一體的組合元件。該調(diào)節(jié)蓄能器在液壓系統(tǒng)中具有保壓、供油、泄荷等功能，因此成為該液壓系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。由于調(diào)節(jié)蓄能器尤其是其端蓋部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊，采用常規(guī)手段檢測及研究其性能有一定的困難。使用AMESim建立調(diào)節(jié)蓄能器仿真模型，為該元件的性能研究提供了高效可行的方法。

1 調(diào)節(jié)蓄能器的結(jié)構(gòu)及工作原理

該調(diào)節(jié)蓄能器為活塞式蓄能器，內(nèi)部預(yù)充純氮。其端蓋部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)蓄能器的進油口處設(shè)有單向閥，用以保證蓄能器在加壓之后不反向供油。調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)蓄能器內(nèi)的油液壓力，當(dāng)未達到工作壓力時，調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，蓄能器開始建壓;當(dāng)超過工作壓力之后調(diào)節(jié)閥開啟，齒輪泵泄荷。如此循環(huán)，保證蓄能器的壓力維持在可用的范圍之內(nèi)。端蓋處的安全閥，其開啟壓力高于調(diào)節(jié)閥的開啟壓力，在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致蓄能器無法出油時，保證蓄能器及整個油源回路的安全。

2 蓄能器模型的建立

根據(jù)調(diào)節(jié)蓄能器的結(jié)構(gòu)，運用AMESim對調(diào)節(jié)蓄能器每個組成部件進行建模，根據(jù)調(diào)節(jié)蓄能器實際參數(shù)設(shè)置模型參數(shù)。

圖1 調(diào)節(jié)蓄能器端蓋結(jié)構(gòu)圖

2.1 蓄能器蓄能裝置建模

調(diào)節(jié)蓄能器主體部分為充氮活塞式蓄能器，其壓力與體積符合波爾定律

式中:p0為充氣壓力;

p1為最低工作壓力;

p2為最高工作壓力;

V1，V2分別為對應(yīng)于p1，p2時氣體體積;

n為多方指數(shù)，因調(diào)節(jié)蓄能器在某液壓系統(tǒng)中充放油均在1 min內(nèi)進行，可以近似為絕熱過程，因此該值取1.4。

在AMESim中選取模型HA000-1作為調(diào)節(jié)蓄能器的蓄能裝置，其參數(shù)如表1所示。

表1 蓄能裝置參數(shù)

2.2 調(diào)節(jié)蓄能器單向閥建模

調(diào)節(jié)蓄能器端蓋單向閥為錐閥芯密封式直通單向閥結(jié)構(gòu)，忽略閥芯與閥體的摩擦力，閥芯受力為

其中:p1為單向閥進口油壓;

p2為單向閥出口油壓;

D1為單向閥進油口直徑;

D2為閥芯彈簧套內(nèi)徑;

D3為閥芯彈簧套外徑;

F1為單向閥彈簧預(yù)緊力;

K為彈簧彈性系數(shù);

x為閥芯位移量。

當(dāng)F＜0，閥口關(guān)閉;F≥0，閥口開啟。

其AMESim模型如圖2所示。

圖2 減壓閥仿真模型

單向閥仿真參數(shù)如表2所示。

表2 單向閥仿真參數(shù)

2.3 調(diào)節(jié)蓄能器調(diào)節(jié)閥建模

調(diào)節(jié)蓄能器調(diào)節(jié)閥根據(jù)蓄能器內(nèi)油壓調(diào)整進油口的溢流量，從而使蓄能器油壓穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)閥中主要作用部件為滑桿，連接蓄能器蓄能腔、進油口和溢流口，控制閥口的啟閉?；瑮U受力

其中:p2為蓄能器油腔壓力;

p1為蓄能器進油口壓力;

D1為滑桿最大外徑;

D2為滑桿進油口端最小外徑;

D3為溢流口直徑;

F1為彈簧預(yù)緊力;

K為彈簧彈性系數(shù);

x為滑桿位移量。

當(dāng)F＞0時，閥口開啟，液壓泵卸荷，蓄能器不再進油;當(dāng)F≤0時，閥口關(guān)閉，蓄能器進油。

利用AMESim建立的調(diào)節(jié)閥仿真模型如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥仿真模型

仿真參數(shù)如表3所示。

表3 調(diào)節(jié)閥仿真參數(shù)

2.4 調(diào)節(jié)蓄能器安全閥建模

調(diào)節(jié)蓄能器安全閥是蓄能器及整個液壓系統(tǒng)油源回路的保護裝置。其工作原理為:當(dāng)蓄能器壓力超過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)上限時，安全閥閥芯1在液壓力的作用下推動閥座2，閥芯和閥座一起運動到一定距離后，閥芯1停止運動，閥座2在液壓力的作用下繼續(xù)運動，與閥芯分離，油液從蓄能器壓力腔溢出，從而保證蓄能器安全運行。其閥座受力為:

第一階段，閥芯推動閥座向后運動

第二階段，液壓力推動閥座向后運動，開始溢流

其中:p1為蓄能器油壓;

D1為安全閥閥芯外徑;

D2為安全閥閥座外徑;

D3為安全閥閥座內(nèi)徑;

F1為閥芯彈簧預(yù)緊力;

K1為閥芯彈簧彈性系數(shù);

x1為閥芯位移量;

F2為閥座彈簧預(yù)緊力;

K2為閥座彈簧彈性系數(shù);

x2為閥座位移量。

利用AMESim根據(jù)其工作機理，建立其仿真模型如圖4所示。

圖4 安全閥仿真模型

其仿真參數(shù)如表4所示。

表4 安全閥仿真參數(shù)

3 調(diào)節(jié)蓄能器仿真分析

3.1 調(diào)節(jié)蓄能器仿真模型驗證

為了更好地驗證模型的正確性，按照該液壓系統(tǒng)實際油源回路和解鎖回路建立調(diào)節(jié)蓄能器的仿真回路。整體模型如圖5所示。

圖5 調(diào)節(jié)蓄能器仿真回路

對仿真回路進行40 s仿真，t=020 s時，換向閥5位于中位，建立油源壓力，液壓泵向蓄能器充油;t =2030 s時，換向閥5于左位，液壓油經(jīng)過減壓閥6進行減壓和穩(wěn)壓，再經(jīng)增壓油缸7增壓，最后經(jīng)液控單向閥8進入穩(wěn)定鎖9進行解鎖;t=3040 s時，換向閥位于右位，液控單向閥被反向開啟，穩(wěn)定鎖油腔卸荷，穩(wěn)定鎖閉鎖。調(diào)節(jié)蓄能器油腔壓力仿真結(jié)果如圖6所示。蓄能器在15 s內(nèi)壓力達到16.42 MPa，符合該液壓系統(tǒng)液壓油源在1520 s內(nèi)建壓的技術(shù)要求;蓄能器油壓在達到16.45 MPa后，雖然液壓泵仍在工作，但蓄能器壓力不再上升，符合調(diào)節(jié)蓄能器壓力上限16.5 MPa的技術(shù)要求，說明蓄能器調(diào)節(jié)閥建模準(zhǔn)確。穩(wěn)定鎖鎖緊塊的仿真結(jié)果如圖7所示。三位四通閥位于左位時，穩(wěn)定鎖鎖緊塊產(chǎn)生0.284 mm位移，解鎖成功;三位四通閥位于右位時，穩(wěn)定鎖鎖緊塊位移回零，穩(wěn)定鎖閉鎖。仿真結(jié)果表明:仿真模型符合該液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器的各項技術(shù)要求且執(zhí)行動作準(zhǔn)確，說明仿真模型能較好地對該液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器的性能及工作進行模擬。

圖6 調(diào)節(jié)蓄能器油腔壓力

圖7 穩(wěn)定鎖鎖緊塊位移

3.2 調(diào)節(jié)蓄能器仿真分析

通過調(diào)節(jié)蓄能器模型的仿真，對調(diào)節(jié)蓄能器的性能及可能發(fā)生的故障進行分析，仿真結(jié)果可為產(chǎn)品性能分析及故障診斷提供依據(jù)。

3.2.1 預(yù)充氣體壓力對調(diào)節(jié)蓄能器的影響

在調(diào)節(jié)蓄能器氣腔預(yù)充氣壓力分別為 4，6，8，10 MPa的情況下，對調(diào)節(jié)蓄能器建壓情況進行仿真，仿真結(jié)果如圖8所示。

從仿真結(jié)果可知:在建壓至15 s時，當(dāng)調(diào)節(jié)蓄能器預(yù)充壓力超過8 MPa，蓄能器達到建壓超過13 MPa的技術(shù)指標(biāo);而隨著調(diào)節(jié)蓄能器預(yù)充氣體壓力的減小，其建壓時間逐漸增長，說明調(diào)節(jié)蓄能器建壓時間和預(yù)充氣體壓力大小成反相關(guān)。

3.2.2 調(diào)節(jié)閥彈簧失效對蓄能器及液壓回路的影響

調(diào)節(jié)蓄能器中調(diào)節(jié)閥對蓄能器最終建壓的大小起著決定作用。因該液壓系統(tǒng)在工作中需將蓄能器壓力調(diào)至最高，使得調(diào)節(jié)閥彈簧長期處于壓縮狀態(tài)，很容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥彈簧疲勞失效。圖9和圖10分別為調(diào)節(jié)閥彈簧疲勞情況下彈簧預(yù)緊力損失70%、50%、30%以及正常情況下調(diào)節(jié)蓄能器建壓結(jié)果和穩(wěn)定鎖鎖緊塊的位移結(jié)果。

圖8 不同預(yù)充氣體壓力下蓄能器建壓結(jié)果

圖9 不同預(yù)緊力下蓄能器建壓結(jié)果

圖10 不同預(yù)緊力下鎖緊塊位移結(jié)果

由圖9可知:隨著彈簧疲勞失效的加深，蓄能器所能建立起來的最終壓力逐漸減小，當(dāng)彈簧預(yù)緊力減小到50%以后，蓄能器已不再起作用。由圖10可知:調(diào)節(jié)閥預(yù)緊力損失70%后，穩(wěn)定鎖不再工作;當(dāng)預(yù)緊力損失50%和30%，解鎖回路只能解鎖而無法閉鎖，表明液壓回路已無法正常工作。仿真結(jié)果表明:調(diào)節(jié)閥彈簧預(yù)緊力大小和調(diào)節(jié)蓄能器建壓的最終值成正相關(guān)，并直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否正常工作。

3.2.3 液壓油混入空氣對調(diào)節(jié)蓄能器的影響

液壓系統(tǒng)中液壓油中空氣的含量會直接影響液壓油的可壓縮性，圖11顯示了在液壓油中空氣含量(在絕對溫度和大氣壓下，空氣與氣液混合體體積之比)分別為 0.1%，1%，2%，3%的情況下，蓄能器的建壓情況。

由仿真結(jié)果可知，正常的空氣混入量對調(diào)節(jié)蓄能器建壓過程未造成嚴(yán)重的影響。但也可以看出:隨著液壓油中空氣含量的增加，蓄能器的建壓時間有所增長。所以在使用液壓系統(tǒng)的過程中應(yīng)盡量減少空氣的混入量。

圖11 油液空氣含量對蓄能器建壓影響

4 結(jié)論

以某液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器為研究對象，通過分析調(diào)節(jié)蓄能器組成部件的工作原理及受力情況，建立了調(diào)節(jié)蓄能器的AMESim仿真模型。通過將調(diào)節(jié)蓄能器模型放入油源及解鎖液壓回路進行仿真，得出以下結(jié)論:

(1)仿真驗證表明:仿真模型可以較好地模擬調(diào)節(jié)蓄能器的工作情況。

(2)仿真分析結(jié)果表明:調(diào)節(jié)蓄能器的蓄能時間與蓄能器預(yù)充氣體壓力大小及液壓油空氣含量成負(fù)相關(guān);調(diào)節(jié)蓄能器調(diào)節(jié)閥彈簧的疲勞程度決定了調(diào)節(jié)蓄能器最終建壓大小，疲勞程度越小，調(diào)節(jié)蓄能器最終建壓值越接近最高壓力。

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