基于AMESim的內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥平衡回路的平衡能力分析

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽422000）

（邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽422000）

在工程機(jī)械、起重機(jī)械中，如果系統(tǒng)本身自重過大或負(fù)載較大，應(yīng)該設(shè)置平衡回路.平衡回路能在油缸活塞桿自重下下降時(shí)通過平衡閥產(chǎn)生足夠背壓，平衡自重，防止活塞或運(yùn)動(dòng)部件因自重超過油泵供油量所能提供的運(yùn)動(dòng)速度而出現(xiàn)失速現(xiàn)象.文章通過AMESim軟件仿真研究內(nèi)外控基礎(chǔ)上結(jié)合單向順序閥的平衡閥回路，并與常用的簡單平衡回路進(jìn)行對比，分析得出內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路在系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢：確保了回路的快速反應(yīng)，又對回路沖擊有著緩沖穩(wěn)定作用.

平衡回路； AMESim；平衡性能

0 引言

平衡回路一般用于平衡與液壓力作用方向相同的重力負(fù)載.當(dāng)負(fù)載下降時(shí)，在液壓缸回油腔中產(chǎn)生平衡活塞及運(yùn)動(dòng)部件自重的背壓，防止活塞或運(yùn)動(dòng)部件因自重超過油泵供油量所能提供的運(yùn)動(dòng)速度而出現(xiàn)失速現(xiàn)象，對液壓系統(tǒng)造成較大的沖擊和震動(dòng).在實(shí)際項(xiàng)目的液壓原理圖設(shè)計(jì)中，有時(shí)由于節(jié)省成本的需要，平衡回路設(shè)計(jì)的比較簡單，如目前常用的單向順序閥平衡回路與液控單向閥平衡回路等回路，設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，能滿足如推土機(jī)裝置的升降，裝載機(jī)及起重機(jī)等力臂的升降等.但對于要求高精度平衡的設(shè)備而言，實(shí)際設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)簡單的平衡回路作用效果很差.本文提出一種新型的內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路，并基于AMESim分別仿真常用的單向順序閥平衡回路及這種新型平衡回路，通過比較仿真曲線，分析其優(yōu)勢，為實(shí)際回路的設(shè)計(jì)提供一些思路.

1 平衡回路的工作原理

1.1 單向順序閥平衡回路工作原理

如圖1所示是一種簡單的單向順序閥平衡回路.圖中順序閥閥芯受力平衡方程為：

圖1 單向順序閥的平衡回路Fig.1 Internal and external combined counterbalance valve circuit

式中，PK為液壓缸進(jìn)油腔壓力，AK為順序閥主閥閥芯控制活塞面積，P2為液壓缸回油腔背壓，A′K為順序閥主閥芯承壓面積，k為彈簧剛度，X0為調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量；X為調(diào)壓彈簧在某一穩(wěn)定工況下的開口量．

液壓缸受力平衡方程為：

式中：A1為液壓缸無桿腔面積；A2為液壓缸有桿腔有效面積；

由（1）與（2）得：

1.2 內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥平衡回路工作原理

隨著工程機(jī)械對液壓技術(shù)要求的不斷發(fā)展，為使液壓缸動(dòng)作平穩(wěn)，已經(jīng)出現(xiàn)各種適應(yīng)于不同工況的平衡閥，這些平衡閥在原來內(nèi)外控順序閥的基礎(chǔ)上，一般引入其他控制油源，具有不同的阻尼結(jié)構(gòu)［2］.如圖2所示的內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的一種新型平衡回路.其工作過程如下：在實(shí)線位置時(shí)，從工作油口B引入控制油，經(jīng)節(jié)流閥6、單向閥10快速進(jìn)入順序閥3的控制腔，打開P2到A的閥口；在順序閥打開、控制壓力P1降低的同時(shí)，經(jīng)過可調(diào)節(jié)流閥5的控制油繼續(xù)進(jìn)入到順序閥3的控制腔，順序閥逐漸轉(zhuǎn)化到與負(fù)載相適應(yīng)的節(jié)流位置，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)開啟.

圖2 內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路Fig.2 Internal and external combined one－way sequence valve counterbalance circuit

2 平衡閥回路的AMESim仿真

AMESim，即工程機(jī)械仿真高級建模系統(tǒng)，是法國IMAGINE1推出來的新型高級建模仿真軟件，提供一個(gè)完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺，用戶可以建立復(fù)雜的多學(xué)科的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng)模型，并對模型進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，已經(jīng)成為汽車、工程機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域的重要建模平臺［3］.

2.1 二種平衡閥回路的系統(tǒng)模型的建立

在AMESim平臺上按照AMESim的系統(tǒng)建模中利用HYD庫建立起單向順序閥回路與內(nèi)外控結(jié)合的單向順序閥回路模型（圖3及圖4）.研究不同的回路形式對液壓系統(tǒng)平衡能力.

圖3 單向順序閥的仿真模型Fig.3 The simulation model of one－way sequence valve

圖4 內(nèi)外控結(jié)合單向閥的仿真模型Fig.4 The simulation model of internal and external combined one－way sequence valve

其仿真參數(shù)設(shè)置如下：

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

2.2 單向順序閥與內(nèi)外控單向順序閥仿真曲線對比

在液壓系統(tǒng)圖中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置后，進(jìn)行仿真.將單向順序閥平衡回路與內(nèi)外控結(jié)合的單向順序閥的平衡回路中液壓缸的各項(xiàng)指標(biāo)波形分別置于圖5－9左右兩側(cè)進(jìn)行對比.

圖5 油缸有桿腔壓力曲線Fig.5 The pressure curve at oil cylinder rod cavity

圖5左是單向順序閥平衡回路的油缸有桿腔的壓力曲線，右圖是內(nèi)外控結(jié)合的單向順序閥平衡回路的有桿腔壓力曲線.從圖中可知，前者的的壓力一直處于波動(dòng)狀態(tài)，而后者經(jīng)過3s，35s二個(gè)階梯跳躍后穩(wěn)定下來.后者壓力的穩(wěn)定性明顯得到提升.

圖6 油缸無桿腔壓力Fig.6 The pressure curve at oil cylinder rodless cavity

圖6單向閥順序閥回路與內(nèi)外控結(jié)合的單向順序閥的平衡回路的油缸無腔壓力對比，二者穩(wěn)定下的時(shí)間差別不大，但是前者一直有20bar（110bar～130bar）左右的波動(dòng)，后者幾乎無波動(dòng).

圖7 油缸有桿腔流量速率Fig.7 Flow rate at oil cylinder rod cavity

圖8 油缸無桿腔流量速率Fig.8 Flow rate at oil cylinder rodless cavity

圖7、8對比有桿腔及無桿腔的流量知，左圖中單向順序閥平衡回路的流量速率波動(dòng)非常大，峰值達(dá)到0.65L／min（－0.35L／min～0.3L／min）始終沒有穩(wěn)定下來，而右圖中內(nèi)外控結(jié)合的單向順序閥的平衡回路流量速率在前30分鐘有波動(dòng)，出現(xiàn)了一些毛刺，之后流量很穩(wěn)定.

圖9 油缸有桿端運(yùn)動(dòng)速度Fig.9 The speed of the rod end

由圖9知，左圖中的有桿端運(yùn)動(dòng)很緩慢，位移曲線計(jì)算式：V＝S／T．得到V1＝0.06（m）÷ 60（s）＝1mm／s.而且控制效果不好，慣性大，60s還沒有停止運(yùn)動(dòng)，而右圖中有桿端運(yùn)動(dòng)速度V2＝V1.但是在第35s位移已經(jīng)穩(wěn)定下來.后者制動(dòng)效果明顯優(yōu)于前者.

3 結(jié)論

對內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥的平衡回路及單向順序閥平衡回路的仿真分析對比可知：

（1）分析內(nèi)外控結(jié)合單向閥的平衡回路比普通單向閥回路的壓力曲線，前者壓力更穩(wěn)定性，波動(dòng)明顯減少.

（2）分析油缸有桿端及無桿端流量速率曲線，知內(nèi)外控結(jié)合單向閥的平衡回路流量速率基本維持在一個(gè)小范圍.穩(wěn)定性更強(qiáng).

（3）分析內(nèi)外控結(jié)合單向閥的平衡回路比普通單向閥回路的桿運(yùn)動(dòng)曲線，前者的有桿端運(yùn)動(dòng)更具有可控性，制動(dòng)效果優(yōu)勢明顯.

［1］張燃，劉恒龍，柯堅(jiān)，等.基于AMESim的斜盤式軸向柱塞泵脈動(dòng)特性分析［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（5）：118－120，132.

［2］袁士豪，殷晨波，劉士豪，等.基于AMESim的平衡閥動(dòng)態(tài)特性分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44（8）：273－279.

［3］冀宏，梁宏喜，胡啟輝.基于AMESim的螺紋插裝式平衡閥動(dòng)態(tài)特性的分析［J］.液壓與氣動(dòng).2011，10：80－83.

［4］楊國來，惠喜強(qiáng)，徐雙用，等.基于AMESim的塔吊液壓頂升系統(tǒng)螺紋插裝式平衡閥動(dòng)態(tài)特性分析［J］.液壓與氣動(dòng).2013，3：83－86.

基于AMESim的內(nèi)外控結(jié)合單向順序閥平衡回路的平衡能力分析

萬海洋，曾周亮

The Counterbalance Simulation－Analysis of Internal and External Combined One－way Sequence Valve Counterbalance Circuit on AMESim

WAN Hai－yang，ZENG Zhou－liang

（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，shaoyang，hunan 422000，China）

In engineering machinery and lifting machinery，if the weight of system is too large or heavy load，it should be setted the counterbalance valve circuit.To generate sufficient to balance weight own to oil cylinder piston back pressure by the counterbalance valve circuit.For avoiding the lose of speed of the piston or moving parts by weight exceeds the fuel supply can be to offer.A simulation study on internal and external combined one－way sequence valve counterbalance circuit through AMESim simulation，in its analysis of the circuitbalance property by contrast with common counterbalance circui.Drawing a conclusion that the internal and external combined one－way sequence valve counterbalance circuit has a obvious advantage：Not only ensure the quickly reaction，But also has the buffer stability impact.

valve counterbalance circuit；AMESim；counterbalance performance

萬海洋（1989—）男，湖南岳陽人，邵陽學(xué)院機(jī)械與能源工程系2012級研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化.

TH137.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1672－7010（2014）03－0061－05

2014－04－29