基于負(fù)載敏感回路的起豎液壓系統(tǒng)仿真

董 鑫，張宏宇，陳 奇，劉洪波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

基于負(fù)載敏感回路的起豎液壓系統(tǒng)仿真

董 鑫，張宏宇，陳 奇，劉洪波

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

介紹負(fù)載敏感技術(shù)在發(fā)射車起豎液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過aMeSim搭建負(fù)載敏感泵、平衡閥、多路閥以及多級液壓缸等核心元件的仿真模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真，提出采用多聯(lián)多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式，以適應(yīng)起豎及回收過程中多級液壓缸的面積比變化，解決了大面積比回收時(shí)回油路過度節(jié)流、系統(tǒng)憋壓的問題。

負(fù)載敏感技術(shù)；起豎液壓系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)仿真；匹配組合方式

0 引 言

起豎液壓系統(tǒng)是發(fā)射車的重要組成部分，決定起豎過程的快速性及平穩(wěn)性，影響發(fā)射車的快速作戰(zhàn)能力。與以往采用特裝泵結(jié)合流量閥、壓力閥組成的起豎系統(tǒng)相比，多路閥及負(fù)載敏感泵組成的負(fù)載敏感起豎系統(tǒng)使用閥塊數(shù)量少，管路布置精簡，具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制精度高和能量利用率高的特點(diǎn)[1～5]。雖然負(fù)載敏感系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但采用多路閥控制大面積比變化的多級液壓缸的研究目前還未見報(bào)道。本文通過工程系統(tǒng)仿真高級建模環(huán)境（advanced Modeling environment for performing Simulation of engineering systems, aMeSim）建立起豎液壓系統(tǒng)的仿真模型[6,7]，研究采用多聯(lián)非對稱閥芯多路閥控制大面積比多級液壓缸的控制組合策略，解決大面積比回收時(shí)回油路過度節(jié)流、系統(tǒng)憋壓的問題。

1 負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵、多路閥、平衡閥及多級液壓缸組成，采用了負(fù)載敏感的控制方式，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

系統(tǒng)中的負(fù)載敏感元件為多路閥和負(fù)載敏感泵，其中多路閥采用閥前補(bǔ)償形式，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由圖2可知，該閥集成了閥前壓力補(bǔ)償器、主閥芯、梭閥及負(fù)載敏感（Load Sensing, LS）限壓閥等結(jié)構(gòu)，集成化程度高，精簡了外圍系統(tǒng)布置。另外，該主閥芯位移采用閉環(huán)控制方式，使其嚴(yán)格隨控制信號變化，具有較高的流量控制精度。閥前壓力補(bǔ)償器在正常工作狀態(tài)下維持主閥芯閥口壓差的恒定，從而使多路閥的流量只隨閥芯位移成特定函數(shù)關(guān)系變化。梭閥通過比較出口處的最高壓力，將其作為負(fù)載敏感壓力反饋給閥前壓力補(bǔ)償器及負(fù)載敏感泵。

圖1 負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)原理

圖2 多路閥結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)中所使用的負(fù)載敏感泵結(jié)構(gòu)原理見圖3。由圖3可知，該泵控制閥芯受到泵出口壓力及負(fù)載敏感壓力控制，調(diào)節(jié)泵的排量，使泵的輸出流量隨系統(tǒng)的流量需求而變化。

圖3 負(fù)載敏感泵結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)中的平衡閥在起豎至重心后提供額外節(jié)流作用，抗衡負(fù)負(fù)載，使起豎過程平穩(wěn)結(jié)束。當(dāng)系統(tǒng)需要起豎至某一角度終止時(shí)，平衡閥可以有效鎖定起豎缸，以保持姿態(tài)。

為充分反映系統(tǒng)功能，研究多路閥對多級液壓缸的組合控制策略，需要對以上關(guān)鍵元件分別建模。

2 負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)核心元件建模

2.1 平衡閥模型

平衡閥主要由單向閥、液控節(jié)流閥以及安全閥的組合，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 平衡閥結(jié)構(gòu)示意

當(dāng)控制口X無壓力且負(fù)載壓力未超過安全閥限壓時(shí)，平衡閥體現(xiàn)單向閥功能，允許油液以較小壓降從a腔流向B腔，同時(shí)有效阻斷油液從B腔流向a腔，實(shí)現(xiàn)負(fù)載保持功能。當(dāng)控制口X處壓力足以打開先導(dǎo)閥芯時(shí)，B腔的壓力油經(jīng)由主閥芯的節(jié)流閥口流向a腔，主閥芯節(jié)流閥口開度取決于控制壓力及負(fù)載壓力的共同作用，體現(xiàn)液控節(jié)流的作用。當(dāng)X處沒有控制壓力且B腔的負(fù)載壓力足夠大時(shí)，位于主閥芯之上的安全閥將打開，使壓力油經(jīng)T腔泄漏回油箱。

按照平衡閥的結(jié)構(gòu)及工作原理建立的元件仿真模型如圖5所示。

圖5 平衡閥仿真模型

2.2 多級液壓缸模型

多級液壓缸是起豎液壓系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，采用逐層嵌套的結(jié)構(gòu)形式，由外向內(nèi)依次為四級至一級缸筒以及中心活塞桿。當(dāng)中心活塞桿鉸接固定時(shí)，各級筒缸由外層向內(nèi)層逐級伸出，前一級的缸筒相當(dāng)于下一級的活塞桿，全部伸出后完成起豎過程。

在起豎過程中，每當(dāng)一級缸筒接近完全伸出，下一級缸筒即將伸出時(shí)，均需要采取適當(dāng)?shù)木彌_措施，減輕因油缸的正、反腔作用面積比發(fā)生突變導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力突變以及多級液壓缸的沖擊與振動(dòng)。本系統(tǒng)中多級液壓缸通過逐漸遮蔽軸向阻尼孔陣列及浮動(dòng)節(jié)流圈的錐形間隙節(jié)流等手段實(shí)現(xiàn)換級緩沖。

搭建多級液壓缸仿真模型時(shí)要反映各級缸筒的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系及各級缸筒受力情況。將換級緩沖阻尼結(jié)構(gòu)用行程控制的阻尼孔進(jìn)行等效，并在各級缸筒正腔之間設(shè)置補(bǔ)油單向閥，最終建立的多級液壓缸仿真模型如圖6所示。

圖6 多級液壓缸仿真模型

2.3 負(fù)載敏感泵模型

負(fù)載敏感泵通過泵出口壓力及反饋的負(fù)載敏感壓力調(diào)節(jié)泵輸出排量，滿足系統(tǒng)所需，按照圖1中負(fù)載敏感泵結(jié)構(gòu)原理建立的仿真模型如圖7所示。

圖7 負(fù)載敏感泵仿真模型

2.4 多路閥模型

多路閥是一種集成化程度很高的液壓元件，如圖2所示，pVG32多路閥集成了閥前壓力補(bǔ)償器、換向閥主閥芯、梭閥及負(fù)載敏感限壓閥等元件。因集成化程度高，一般難以準(zhǔn)確獲得閥內(nèi)各結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確參數(shù)，故采用間接建模方式建立多路閥模型。

為建立多路閥主閥芯閥口節(jié)流特性，通過圖像識別程序從樣本上提取閥口流量特性并做歸一化處理，得到如圖8所示的閥口流量特性曲線。將該特性作為主閥芯模型的參數(shù)輸入。

圖8 歸一化主閥芯流量特性曲線

按照閥前壓力補(bǔ)償器工作原理搭建其結(jié)構(gòu)模型，在設(shè)置參數(shù)時(shí)注意，補(bǔ)償器閥口節(jié)流面積要與主閥芯閥口節(jié)流面積滿足式（1）所示的匹配關(guān)系[8]。為使穩(wěn)定工作時(shí)補(bǔ)償閥兩端壓降變化較小，就需要閥芯開度變化時(shí)引起的彈簧力變化較小，可以適當(dāng)將彈簧剛度設(shè)置小一些，另外可以將補(bǔ)償器閥芯直徑設(shè)置的適當(dāng)大一些，減小閥芯移動(dòng)位移，進(jìn)一步減小彈簧變化量。

式中d1C，d2C為流量系數(shù)，與雷諾數(shù)及阻尼孔的幾何形狀有關(guān)，紊流狀態(tài)下可近似認(rèn)為二者相等；1A，2A分別為閥前壓力補(bǔ)償器節(jié)流口面積與主閥芯節(jié)流口面積；cP，pP分別為閥前壓力補(bǔ)償器調(diào)定壓力與負(fù)載敏感泵調(diào)定壓力；ρ為油液密度。

因梭閥工作原理較為簡單，只需設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)滿足其正常工作功能即可，最終得到的多路閥仿真模型如圖9所示。

圖9 多路閥仿真模型

3 多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式

3.1 起豎模型

按照圖1的工作原理搭建起豎系統(tǒng)的仿真模型，如圖10所示。其中起豎系統(tǒng)的負(fù)載由負(fù)載隨起豎缸伸出長度變化的數(shù)據(jù)文件定義。

圖10 負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)仿真模型

3.2 匹配組合方式

在起豎或回收過程中，多級液壓缸逐級運(yùn)動(dòng)，每當(dāng)換級過程之后，液壓缸正、反腔面積比即發(fā)生變化。因通過正、反腔流量之比等于液壓缸工作時(shí)兩腔的面積比，通過多路閥進(jìn)油和回油口的流量之比等于該面積比。在起豎過程中，控制對象為進(jìn)入多級液壓缸正腔的流量，進(jìn)油量大于回油量，因此面積比的變化不會(huì)在反腔產(chǎn)生憋壓。而在回收過程中，控制對象為進(jìn)入反腔的流量，進(jìn)油量小于回油量，采用對稱閥芯時(shí)，閥口進(jìn)油面積與回油面積相等，而回路閥口要流經(jīng)更多流量，在回油路上產(chǎn)生較大憋壓直至溢流壓力設(shè)置最低的溢流閥溢流，因此需要采用流量匹配控制策略降低回收時(shí)的系統(tǒng)壓力。

為了解決回油憋壓問題，系統(tǒng)采用三聯(lián)多路閥組合對多級液壓缸進(jìn)行控制，第1聯(lián)最大流量100 L/min，只與多級液壓缸正腔連接，不與反腔連接；第2聯(lián)采用非對稱閥芯，與多級液壓缸正腔相連時(shí)最大流量為130 L/min，與反腔相連時(shí)最大流量65 L/min；第3聯(lián)最大流量130 L/min且B口處負(fù)載敏感限壓閥設(shè)置的開啟壓力設(shè)置較低，為6 Mpa，當(dāng)多級液壓缸面積比較大時(shí)，該聯(lián)閥的負(fù)載敏感限壓閥溢流，壓力補(bǔ)償器幾乎被完全關(guān)斷，很少有壓力油從第3聯(lián)供向多級液壓缸反腔，但是并不影響多級液壓缸正腔壓力油經(jīng)此流回油箱。為盡快完成回收過程，控制時(shí)應(yīng)該使第1聯(lián)、第3聯(lián)多路閥主閥芯全部打開，以最大開口幫助多級液壓缸正腔回油，進(jìn)入多級液壓缸的油液完全由第2聯(lián)控制，通過調(diào)節(jié)第2聯(lián)多路閥的流量能夠滿足反腔進(jìn)油與正腔回油滿足面積比變化，在快速回收的同時(shí)避免憋壓。

運(yùn)行仿真得到起豎和回收過程的多級液壓缸長反腔壓力隨時(shí)間變化曲線如圖11所示，各級液壓缸動(dòng)作的位移時(shí)間曲線如圖12所示，三聯(lián)多路閥各自的閥前壓力補(bǔ)償器閥芯開口位移如圖13所示。

圖11 多級液壓缸正、反腔壓力隨時(shí)間變化曲線

從圖11中可以看出，經(jīng)過三聯(lián)多路閥匹配后起豎和回收過程速度均較快，在回收過程中，除短暫的壓力波動(dòng)外系統(tǒng)壓力不超過12.5 Mpa，較好地解決了回油憋壓問題。

圖12 各級液壓缸動(dòng)作的位移時(shí)間曲線

圖13 各聯(lián)多路閥閥前壓力補(bǔ)償器閥芯開口位移

從圖13可以看出，在起豎過程中，第2聯(lián)及第3聯(lián)多路閥閥前壓力補(bǔ)償器開口量相等且均大于第1聯(lián)多路閥，說明這兩聯(lián)多路閥壓縮彈簧量小于第1聯(lián)，因此其主閥芯壓降小于第1聯(lián)多路閥。在回收過程中，第1聯(lián)多路閥開度為零，第3聯(lián)多路閥開度為負(fù)，與之前分析相符，這兩聯(lián)多路閥壓力補(bǔ)償器進(jìn)油口均處于截止?fàn)顟B(tài)，只有第2聯(lián)多路閥向多級液壓缸反腔供油，第1聯(lián)及第3聯(lián)多路閥只幫助系統(tǒng)回油。

4 結(jié) 論

本文建立了負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)中平衡閥、多級液壓缸、負(fù)載敏感泵以及多路閥的aMeSim仿真模型。通過對負(fù)載敏感起豎液壓系統(tǒng)起豎及回收過程的仿真，探討了采用多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式，提出提高動(dòng)作速度、避免回收憋壓的具體措施，即在起豎過程中使用三聯(lián)多路閥同時(shí)以最大開度供油，在回收過程中只采用第2聯(lián)多路閥向多級液壓缸反腔供油，第1聯(lián)不與起豎缸反腔接通，第3聯(lián)與起豎缸反腔相連一端負(fù)載敏感限壓閥壓力調(diào)低，并處于溢流狀態(tài)，既可截止第3聯(lián)多路閥向多級液壓缸反腔供油，又可以通過溢流限制系統(tǒng)總壓力。

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Simulation on Erection Hydraulic System with Load Sensing Circuit

dong Xin, Zhang Hong-yu, chen Qi, Liu Hong-bo
(Beijing Institution of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The application of load sensitive technology in the erection hydraulic system on the launch vehicle is discussed in this paper. Simulation models of core components including the load sensitive pump, the balancing valve, the multi-way valve and the multistage cylinder are built and the system simulation are conducted in the aMeSim simulation platform. control strategy of the multistage cylinder with the combination of various multi-way valves is proposed to adapt to the change of areas ratio during erection and recovery process, avoiding the pressure increase caused by over-throttling in the oil returning circuit during recovery process with large acting areas ratio.

Load sensitive technology; erection hydraulic system; Hydraulic system simulation; Matching and combination strategy

V554+.2

a

1004-7182(2016)01-0021-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160106

2014-11-04；

2015-04-13

董 鑫（1980-），男，工程師，主要研究方向?yàn)橐簤涸跋到y(tǒng)設(shè)計(jì)