基于AMESim的攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)仿真

鄭建豐，馮 虎，李相鋒

(徐工集團工程機械股份有限公司道路機械分公司，江蘇徐州 221004)

0 引言

攤鋪機作為道路筑養(yǎng)護施工中的重要工程設(shè)備之一，主要用于完成道路上基層和面層各種混合材料的攤鋪作業(yè);而液壓系統(tǒng)在攤鋪機整機系統(tǒng)中承擔(dān)著動力傳遞及功能執(zhí)行的重要任務(wù)，其系統(tǒng)設(shè)計是否合理不僅對動力分配、節(jié)能降耗有直接的影響，而且對攤鋪路面的成型質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用［1-2］。

目前，攤鋪機液壓系統(tǒng)各項功能主要通過單泵單馬達組成的簡單節(jié)流回路實現(xiàn)，存在成本高、效率低且可靠性差的特點。鑒于此，本文提出一種全新單泵多馬達組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)，并利用仿真工具對液壓系統(tǒng)進行仿真研究。

AMESim是一種用于液壓、機械、電氣等多學(xué)科領(lǐng)域的仿真建模軟件，可以為用戶提供基于物理模型的圖形化建模方法，被廣泛應(yīng)用于參數(shù)設(shè)計及系統(tǒng)開發(fā)的設(shè)計中。鄭建豐等基于AMESim軟件分別研究了液壓元件的動態(tài)特性及液壓系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 ;馮虎等基于AMESim軟件解決了攤鋪機提升液壓系統(tǒng)吸空現(xiàn)象對攤鋪路面影響的實際問題［5］。本文基于以上研究，針對攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的特點，利用AMESim軟件對其進行仿真研究，通過與測試數(shù)據(jù)的對比，驗證該系統(tǒng)的有效性。

1 攤鋪機液壓系統(tǒng)

攤鋪機液壓系統(tǒng)的原理如圖1所示，它主要由輸料系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)組成。每個子系統(tǒng)都由相對獨立的齒輪泵、控制閥組和齒輪馬達構(gòu)成，是最基本的液阻控制回路，簡稱定量泵節(jié)流閥系統(tǒng)FT。該系統(tǒng)由于液壓泵的輸出功率(壓力和流量)和負(fù)載需求不匹配，會致使油液發(fā)熱較大、系統(tǒng)溫升過高，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，造成不必要的功率損失與浪費［6-9］。圖2為攤鋪機FT液壓系統(tǒng)的功率損耗分布，其中液壓泵輸出流量為qp，壓力為Pp;負(fù)載所需流量為qf，壓力為Pf。從圖2中可以看出，系統(tǒng)的有用功率只占泵輸出功率的一小部分，尤其在控制流量較小、負(fù)載壓力較大時，系統(tǒng)功率損耗就顯得非常明顯。這種液壓系統(tǒng)所組成的元器件數(shù)量較多，不僅增加了設(shè)計及維護成本，還給液壓系統(tǒng)在整機中的布置帶來一定的困難。

圖1 攤鋪機FT液壓系統(tǒng)

分析攤鋪機液壓系統(tǒng)工作原理及整機工作特點可知，液壓系統(tǒng)的工作都是相對獨立的，各回路的工作壓力及流量不會相互干擾，每條支路的流量都可按比例調(diào)節(jié)且不受負(fù)載壓力變化的影響。針對此特點，提出一種全新的單泵多馬達組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)(LS系統(tǒng))，如圖3所示。

攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵、負(fù)荷傳感多路閥、輸料馬達、發(fā)電機驅(qū)動馬達及振搗馬達等組成。在工作時，負(fù)荷傳感多路閥通過自身內(nèi)部的梭閥對各支路負(fù)載壓力進行高壓信號選擇，然后將此信號傳遞至負(fù)載敏感泵中的流量控制閥FR，F(xiàn)R將泵出口的壓力信號與負(fù)載高壓信號進行比較，判斷系統(tǒng)流量需求變化，進而控制柱塞泵斜排動作，使柱塞泵根據(jù)系統(tǒng)需求輸出流量;當(dāng)系統(tǒng)中的壓力升高達到負(fù)載敏感泵中壓力控制閥DR設(shè)定值時，柱塞泵斜排自動回位，輸出流量減小并趨近于0，以更多地降低功率損耗。當(dāng)系統(tǒng)不工作時，泵出口流量為0，同時泵出口會保持較低的待命壓力，以減小系統(tǒng)能量損耗并提高系統(tǒng)響應(yīng)性。由于負(fù)荷傳感多路閥每條支路內(nèi)部都會集成定壓差閥，這樣就可以避免各條支路工作壓力及流量的相互干擾，且每條支路的流量調(diào)節(jié)也不會受負(fù)載壓力變化的影響。圖4為攤鋪機LS液壓系統(tǒng)功率損耗分布。從圖4中可以看出，系統(tǒng)的功率損耗為負(fù)荷傳感多路閥中的定壓差閥引起的節(jié)流損失，而無溢流損失，且該損失只占系統(tǒng)總功率的很小一部分，所以攤鋪機LS液壓系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。

圖2 攤鋪機FT液壓系統(tǒng)功率損耗

2 液壓系統(tǒng)的模型建立

根據(jù)攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的工作原理，利用 AMESim仿真軟件中的 HCD、Signal、Hydraulic、Mechanical元件庫模塊按照實際的元器件物理結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

系統(tǒng)模型主要由負(fù)載敏感泵部件模型、負(fù)荷傳感多路閥LS部件模型及用于負(fù)載驅(qū)動的執(zhí)行裝置等組成。其中負(fù)載敏感泵部件模型主要用于體現(xiàn)泵的流量調(diào)節(jié)特性、壓力調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)響應(yīng)特性;負(fù)荷傳感多路閥LS部件模型主要用于體現(xiàn)各條支路壓力信號選擇特性、定壓差特性和換向比例特性;負(fù)載驅(qū)動裝置模型主要用于模擬實際負(fù)載特性［10-12］。根據(jù)液壓元件的特性設(shè)置仿真模型參數(shù)，如表1所示［12-15］。

圖4 攤鋪機LS液壓系統(tǒng)功率損耗

3 液壓系統(tǒng)的仿真分析

表1 仿真模型參數(shù)

設(shè)置仿真運行條件:柴油機額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min－1，分動箱傳動比為 0.85;液壓油密度為 850 kg·m－3，體積彈性模量為17 000 bar;仿真時間為10 s，采樣時間為 0.1 s。

首先，驗證系統(tǒng)模型建立的正確性，對發(fā)電機驅(qū)動馬達系統(tǒng)的負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號0.95。圖6為發(fā)電機驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速的仿真曲線，圖7為發(fā)電機驅(qū)動馬達入口的壓力仿真曲線。從圖中可以看出，由于馬達驅(qū)動發(fā)電機的負(fù)載慣性較大，在給定階躍輸入信號時，系統(tǒng)的壓力沖擊較大，且存在啟動瞬時轉(zhuǎn)速超調(diào)的現(xiàn)象。與實測曲線圖8、9相對比，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較吻合。

然后，針對攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的特點，對系統(tǒng)以下特性進行仿真分析。

圖5 攤鋪機LS液壓系統(tǒng)仿真模型

圖6 發(fā)電機驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速仿真曲線

圖7 發(fā)電機驅(qū)動馬達壓力仿真曲線

圖8 發(fā)電機驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速實測曲線

圖9 發(fā)電機驅(qū)動馬達壓力實測曲線

(1)系統(tǒng)復(fù)合動作的抗干擾特性。設(shè)定振搗馬達運行時間從2 s開始，對負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號1;輸料馬達運行時間從4 s開始，對負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號0.8;發(fā)電機驅(qū)動馬達運行從6 s開始，對負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號0.95。圖10為振搗馬達轉(zhuǎn)速仿真曲線，圖11為泵輸出與馬達輸入流量對比?？梢钥闯?在3個馬達先后動作的過程中，振搗馬達轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，幾乎不受其他系統(tǒng)負(fù)載的影響，抗干擾特性較好;而且泵輸出的流量總隨系統(tǒng)所需流量的多少而改變，并無多余流量浪費。這再次證明了攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。(2)系統(tǒng)無動作時泵的中位特性。將負(fù)荷傳感多路閥的所有給定輸入信號設(shè)定為0，使系統(tǒng)馬達無動作運行。圖12、13為泵出口的流量及壓力仿真曲線?？梢钥闯觯?dāng)系統(tǒng)不工作時，泵出口流量為0，同時泵出口會保持較低的待命壓力(約25 bar)，以減小系統(tǒng)能量損耗并提高系統(tǒng)響應(yīng)性。

圖10 振搗馬達轉(zhuǎn)速仿真曲線

圖11 泵輸出-馬達輸入流量仿真曲線

圖12 泵出口流量仿真曲線

圖13 泵出口壓力仿真曲

圖14 振搗系統(tǒng)負(fù)荷傳感多路閥輸入信號

圖15 振搗馬達轉(zhuǎn)速仿真曲線

(3)電流-流量響應(yīng)特性。振搗系統(tǒng)的負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(輸入電流與最大電流之比)為線性信號，如圖14所示。對其相應(yīng)的振搗馬達轉(zhuǎn)速進行仿真，結(jié)果如圖15所示。由此可以看出，系統(tǒng)的控制特性具有較好的線性比例控制特性。

4 結(jié) 語

本文針對目前攤鋪機液壓系統(tǒng)存在的成本高、效率低及可靠性差的特點，提出一種全新的單泵多馬達組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)，并從功率分配及AMESim建模仿真2個方面充分驗證了該系統(tǒng)在攤鋪機液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性，并得出以下結(jié)論。

(1)相對于目前定量泵節(jié)流閥系統(tǒng)，攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)在功率損失上，只有很小一部分的節(jié)流損失，而無溢流損失，尤其在液壓馬達需求為小流量、高壓力的工況條件下，其能耗損失會更小。所以該系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。

(2)AMESim仿真分析表明:攤鋪機負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)在各回路復(fù)合動作的過程中，只要滿足泵的最大輸出流量大于各回路馬達需求流量的總和，各回路的壓力、流量就不會受其他回路動作或負(fù)載的影響;而且各回路的流量控制與電流可以滿足較好的控制關(guān)系。這為該系統(tǒng)在單泵多馬達回路中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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