基于AMESim全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量放大器特性分析

楊 英

（重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054）

1 引言

采用流量放大器的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是大排量全液壓轉(zhuǎn)向器中的一支，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)向靈敏、安裝布置方便、工作可靠和系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)展大噸位的工程機(jī)械過程中，采用流量放大器的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所具備的這些優(yōu)點(diǎn)是液壓助力轉(zhuǎn)向器和普通全液壓轉(zhuǎn)向器所不能比擬的。隨著負(fù)載傳感流量放大全液壓轉(zhuǎn)向器的使用范圍越來越廣，所以有必要對負(fù)載傳感全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性做全面的研究，為實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化提供參考[1]。國內(nèi)外學(xué)者取得一定成果：文獻(xiàn)[2]利用專門的液壓仿真工具針對同軸流量放大全液壓轉(zhuǎn)向器進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3]基于OSQA型流量放大器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程機(jī)械解決操作困難的問題；文獻(xiàn)[4]針對全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行了分析，從能量流的角度建立轉(zhuǎn)向器和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型；文獻(xiàn)[5]基于數(shù)學(xué)模型分析了液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)迅速轉(zhuǎn)向時(shí)響應(yīng)滯后的現(xiàn)象，對流量閥和管路的尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的流量放大器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析?；诹髁糠糯笕簤恨D(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對流量放大器結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，對流量放大器靜態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)分析；基于AMEsim建立仿真分析模型，對動(dòng)態(tài)工作特性以及各參數(shù)變化對系統(tǒng)響應(yīng)特性影響規(guī)律進(jìn)行分析。

2 流量放大器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

對于一些大型工程機(jī)械來說，全液壓轉(zhuǎn)向器向轉(zhuǎn)向缸提供的油液流量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足轉(zhuǎn)向的需求，因此選用一個(gè)流量放大器顯得十分重要[6]。OSQB型流量放大器工作原理，如圖1所示。

圖1 OSQB型流量放大器Fig.1 Schematic Diagram of OSQB Flow Amplifiers

3 流量放大器動(dòng)態(tài)特性

靜態(tài)特性研究無法考慮主閥芯質(zhì)量及油液粘度等參數(shù)對流量放大器工作特性的影響[7]，下面以方向盤從初始中位到穩(wěn)定工作的過渡階段為研究對象。

3.1 優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

忽略油道內(nèi)外泄漏的影響，其入口流量恒定（全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為常流源），可得流量連續(xù)性方程如下（設(shè)閥芯右移為正方向）[8]。

式中：PV1—優(yōu)先閥左腔壓力，Pa；A7—優(yōu)先閥 PP 口節(jié)流孔面積，m2；

βe—油液體積彈性模量；v1—優(yōu)先閥左腔容積，m3；v2—優(yōu)先閥右腔容積，m3。

優(yōu)先閥受力平衡方程為：

3.2 優(yōu)先閥仿真模型

利用AMESim建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中優(yōu)先閥的模型，如圖2所示。

圖2 優(yōu)先閥仿真模型Fig.2 Preferred Valve Simulation Model

3.3 優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)特性分析

圖3 優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)特性結(jié)果Fig.3 Shows the Dynamic Characteristics of the Valve

（1）方向盤轉(zhuǎn)角θ斜階躍輸入時(shí)優(yōu)先閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

設(shè)pe=0，p1=14MPa時(shí)，q0=120L/min。施加斜階躍信號：對應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)速n=50r/min、70r/min。方向盤轉(zhuǎn)角斜階躍輸入時(shí)，在開啟的瞬間，流量會(huì)有微小的波動(dòng)，隨后逐漸增大直至趨于平穩(wěn)。由圖3（a）可以看出，方向盤轉(zhuǎn)速n=50r/min時(shí)流量響應(yīng)時(shí)間為0.15s。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速增大，流量相應(yīng)增大。但是節(jié)流口C1兩端壓差不變。

（2）轉(zhuǎn)向負(fù)載P1對優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

設(shè) pe=0，q0=120L/min，p1=14MPa和 p1=7MPa時(shí)，θ施加一斜階躍信號：對應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)速n=50r/min。

從圖3（b）可以看出，隨著轉(zhuǎn)向負(fù)載p1的增大，優(yōu)先閥輸出流量Q1響應(yīng)時(shí)間變長，但系統(tǒng)仍然趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)態(tài)值基本不變。轉(zhuǎn)向器輸出流量基本不變，說明了轉(zhuǎn)向器開口一定時(shí)，其流量不會(huì)隨著負(fù)載的改變而變化。

（3）入口流量變化對優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

設(shè)定 pe=0，p1=14MP，q0=80L/min、120L/min 時(shí)，θ施加一斜坡信號：對應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)速n=50r/min。

從圖3（c）中可以看出，入口流量增大時(shí)，優(yōu)先閥輸出流量Q1和C1節(jié)流口兩端壓差基本不變。

由上述分析可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)向器負(fù)載和入口流量改變時(shí)，轉(zhuǎn)向器輸出流量基本不變，從而說明轉(zhuǎn)向器開口一定時(shí)，其流量不會(huì)隨著入口流量（主要由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定）或者負(fù)載的改變而變化，這也證實(shí)了轉(zhuǎn)向器的流量只與其開口度有關(guān)，即與方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，而與其他因素?zé)o關(guān)，這一性能說明轉(zhuǎn)向操作完全受控于操作者，保證了轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定可靠性。

（4）阻尼孔A7、A8對優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

從圖3（d）可以看出，增大阻尼孔的面積會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變短，但是系統(tǒng)震蕩加劇，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（5）彈簧剛度對優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

由圖3（e）可知，彈簧剛度增大，優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，穩(wěn)定流量有所增加，但增幅很小。

3.4 流量放大器仿真模型

流量放大器（不含優(yōu)先閥）的仿真模型，如圖4所示。含有方向閥和流量放大閥，還集成了緩沖閥和補(bǔ)油閥[9-10]。仿真中通過溢流閥模型模擬轉(zhuǎn)向負(fù)載，恒流源作為流量放大器L、R口控制油液。

圖4 流量放大器仿真模型Fig.4 Flow-Amplifier Simulation Model

設(shè)定轉(zhuǎn)向器控制油路流量20L/min，觀察流量放大器輸出流量曲線。從圖5可以看出，流量放大器響應(yīng)時(shí)間大約為0.04s。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，流量放大器輸出流量與轉(zhuǎn)向器控制流量的比值接近流量放大器的放大倍數(shù)。

圖5 流量放大器輸出流量曲線Fig.5 Flow Amplifier Output Flow Curve

4 結(jié)論

針對對流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)關(guān)鍵元件流量放大器進(jìn)行分析，并利用AMESim建立動(dòng)態(tài)仿真模型，通過對不同工況的分析，指出了各參數(shù)對元件性能的影響。結(jié)果可知：（1）優(yōu)先閥位移逐漸減小，優(yōu)先閥CF口流量僅與轉(zhuǎn)向器開度有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)；優(yōu)先閥閥芯位移隨著EF口負(fù)載壓力pe增大而增大，優(yōu)先閥CF口流量隨著EF口負(fù)載壓力增大而減小。（2）優(yōu)先閥處于EF油路工作，CF油路不工作工況時(shí)，系統(tǒng)節(jié)能效果較好；當(dāng)CF油路工作，而EF油路不工作時(shí)，EF油口的壓力損失最大。（3）流量放大器中優(yōu)先閥彈簧剛度增大，優(yōu)先閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，穩(wěn)定流量有所增加，說明彈簧剛度增大有利于提高優(yōu)先閥CF口流量的穩(wěn)定性；阻尼孔的面積增大會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變短，但是系統(tǒng)震蕩加劇，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。