基于最佳負載的節(jié)流調速回路效率仿真及實驗研究

陳小蘭，陳曉波，童金蓮

(黃岡師范學院 機電工程學院，湖北 黃岡 438000)

在液壓傳動系統中，調速回路占有重要地位，其中節(jié)流調速回路應用最廣泛，諸多理論和文獻對其工作原理、速度-負載特性等方面進行研究和分析，表明節(jié)流調速回路宜用在低負載、低速、小功率的場合[1-4]。然而筆者以進油節(jié)流調速回路為例，通過分析得出負載并非越小越好，在其允許變化范圍內存在一個使回路效率最高的最佳負載值。本文通過分析建立進油節(jié)流調速回路效率的數學模型，利用Fluidsim軟件進行仿真，并在實驗臺上驗證回路最佳負載時的回路最佳效率。

1 數學模型的建立

1.1 進油節(jié)流調速回路負載特性分析

在圖1所示無背壓的進油節(jié)流調速回路中，可列出如下4個方程[1,5]：

液壓缸活塞平衡方程：

p1A1=p2A2+FL

(1)

(2)

流經節(jié)流閥的流量：

(3)

qp=q1+Δp

(4)

式中：qp，q1—泵的輸出流量以及流經節(jié)流閥進入液壓缸的流量；

Δq，Δp——溢流閥的溢流量以及節(jié)流閥兩端的壓差；

p1，p2和ps——液壓缸兩腔的壓力以及泵的出口壓力即溢流閥調定壓力；

A1，A2和AT——液壓缸兩腔的有效作用面積以及節(jié)流閥的通流面積；

KL，FL——節(jié)流閥閥口的液阻系數以及負載力。

由上述4個方程得出液壓缸運動速度v[1,5]：

(5)

即式(5)為進油節(jié)流調速回路的速度-負載特性方程。

圖1 進油節(jié)流調速回路原理圖

1.2 進油節(jié)流調速回路效率數學模型

在進油路節(jié)流調速回路中，液壓泵輸出功率Pp=psqp=常量，而液壓缸的有效功率P1=FLv，故可得回路效率η

(6)

聯立(5)、(6)式可得進油節(jié)流調速回路效率的數學模型：

(7)

調速回路在正常工作條件下節(jié)流閥的開口為某一定值，故由式(7)可知回路效率與負載FL變化有關。對式(7)求導數得：

(8)

(9)

2 回路效率分析

2.1 仿真結果分析

利用Fluidsim軟件設計進油節(jié)流調速仿真回路[6-8]，設置py=6 MPa，qy=5×10-4m3·s-1，ps=7 MPa，qp=5×10-4m3·s-1，A1=8.02×10-2m2，A2=3.14×10-2m2，液壓缸有效行程L=0.15 m，節(jié)流閥開口約為80%，如圖2所示。

圖2 進油節(jié)流調速回路仿真圖

參數數值1數值2數值3數值4數值5數值6負載/N10001 5002 5003 70040004 500缸速/m·s-10.050.040.030.0240.020.01有效功率/w506075907040輸出功率/w1 0301 0361 0481 0541 0621 072回路效率/%4.95.87.28.56.63.7

2.2 實驗結果分析

考慮負載不好控制，負載的變化由背壓閥的壓力來實現[9-11]，設計和實施的實驗如圖3所示。

圖3 節(jié)流調速實驗回路

參數數值1數值2數值3數值4數值5數值6溢流閥壓力/MPa469111215無桿腔壓力/MPa1.051.822.983.704.145.28缸速/m·s-10.050.040.030.030.020.007有效功率/w425872896630輸出功率/w1 0281 0361 0461 0541 0581 072回路效率/%4.15.66.98.46.22.8

2.3 仿真與實驗對比分析

由于實際回路中存在摩擦阻力、發(fā)熱、泄漏等現象，故實驗結果數值均比仿真結果略小(圖4)?？梢娺M油節(jié)流調速回路的效率在負載變化過程中存在一個極大值即最佳效率點，此時的負載即為最佳負載值，進一步說明實驗結果與仿真結果、理論分析基本相符。

圖4 回路效率的仿真與實驗結果對比

3 結論

通過Fluidsim軟件仿真分析和CQYZ-M/B1液壓傳動實驗臺實驗可以得到以下結論：

(1)進油節(jié)流調速回路的效率較低，功率損耗較大，與諸多文獻分析研究結果一致；

(2)在負載允許變化范圍內，進油節(jié)流調速回路的效率存在極大值，即負載并非越小越好，而是臨近最佳效率值時的負載最佳；

(3)通過理論分析、仿真及實驗研究得出節(jié)流調速最佳負載時回路有最高效率，為液壓傳動系統調速回路的設計提供一定的理論和實驗依據；

(4)實驗中利用背壓閥來替代負載的變化，對回路效率有一定的影響和不足，若能以實際加載的形式進行實驗，則結果將會更接近理論的分析。

參考文獻：

[1] 陳奎生.液壓與氣壓傳動[M].武漢：武漢理工大學出版社，2001:12.

[2] 李靜明,鄧海順.進油路節(jié)流調速系統工作點和功率效率研究[J].煤礦機械, 2007, 28(5):38-40.

[3] 楊尚平,楊曉玉,朱炎周，等.基于負載匹配的節(jié)流調速回路最大效率及計算模型[J].機械科學與技術,2010,29(3):303-307.

[4] 余斌,鐘振龍,方寧. 基于Matlab的液壓節(jié)流調速性能仿真研究[J].計算機仿真,2003,20(9):142-144.

[5] 張元越.液壓與氣壓傳動[M].成都：西南交通大學出版社，2016:6.

[6] 陶柳,李欣星,王競，等.3種節(jié)流調速回路AMESim仿真研究及實驗分析[J].煤礦機械, 2016,37(11):163-166.

[7] 沈瑜,商執(zhí)億.基于FESTO的節(jié)流調速回路性能實驗設計與實現[J].液壓氣動與密封,2015(11):44-46.

[8] 高欽和.進油節(jié)流調速回路液壓回路爬行現象的建模與仿真分析[J].機床與液壓,2000(5):83-84.

[9] 裴杰,高興華,全繼花.雙節(jié)流閥組合調速回路負載特性分析及實驗研究[J].機床與液壓,2016,44(22):62-66.

[10] 吳海榮.基于節(jié)流調速性能試驗的QCS003B液壓教學實驗臺的改進[J].液壓與氣動,2012(6):112-114.

[11] 趙柯,蔡業(yè)彬.液壓傳動教學實驗中的節(jié)流調速回路實驗[J].液壓與氣動,2012(7): 127-129.