基于AMESim的回轉(zhuǎn)緩沖閥動(dòng)態(tài)特性分析

車芷君，羅凱，滕儒民，魏蘇杰，王欣

(1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.中聯(lián)重科工程起重機(jī)公司，湖南長(zhǎng)沙 414000)

0 前言

液壓驅(qū)動(dòng)的大慣量負(fù)載回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在制動(dòng)過程中，由于負(fù)載慣性較大，馬達(dá)壓力會(huì)急劇升高，雖然有溢流閥(安全閥)的保護(hù)，但還可能出現(xiàn)系統(tǒng)抖動(dòng)現(xiàn)象，并且這種現(xiàn)象會(huì)大大降低系統(tǒng)元件的性能及使用壽命。回轉(zhuǎn)緩沖閥是驅(qū)動(dòng)大慣量負(fù)載液壓系統(tǒng)經(jīng)常使用的閥件?；剞D(zhuǎn)緩沖閥通常與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)并聯(lián)，在系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)或外部有大負(fù)載作用時(shí)，通過檢測(cè)馬達(dá)的進(jìn)出口壓力，自動(dòng)開啟閥口，限制回路的最高壓力，以實(shí)現(xiàn)減弱制動(dòng)過程中的振動(dòng)、減小系統(tǒng)沖擊的目的?；剞D(zhuǎn)緩沖閥在壓力沖擊下的開啟性能以及在閥口開啟以后的穩(wěn)定性都是考核其動(dòng)態(tài)性能的重要指標(biāo)，因此對(duì)它進(jìn)行仿真分析對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有重要意義。

對(duì)于大慣量負(fù)載液壓驅(qū)動(dòng)的緩沖問題，國(guó)內(nèi)外已有相關(guān)研究。針對(duì)壓力突變，導(dǎo)致液壓管路和元件損壞及使用壽命降低的問題，魏聰梅等提出了一種采用電液控制并聯(lián)阻尼緩沖的液壓緩沖元件，該元件可對(duì)壓力波動(dòng)起到良好的抑制作用；高旭等人通過AMESim軟件平臺(tái)，搭建了挖掘機(jī)先導(dǎo)緩沖系統(tǒng)模型，并仿真分析了先導(dǎo)緩沖閥對(duì)主控閥換向性能的影響；趙燕等人對(duì)緩沖閥參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果。

本文作者基于AMESim建立XH10Z-AYFT-00回轉(zhuǎn)緩沖閥模型，得到在不同負(fù)載下，馬達(dá)及緩沖閥的流量曲線、壓力曲線；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出回轉(zhuǎn)緩沖閥對(duì)大慣量系統(tǒng)的影響特性。

1 XH10Z-AYFT-00回轉(zhuǎn)緩沖閥結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 回轉(zhuǎn)緩沖閥結(jié)構(gòu)

圖1所示為回轉(zhuǎn)緩沖閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，主要由閥體、阻尼過濾器、溢流閥、單向節(jié)流閥、電磁閥、三位六通液控?fù)Q向閥、梭閥等組成。

圖1 XH10Z-AYFT-00(GJ)回轉(zhuǎn)緩沖閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

三位六通液控?fù)Q向閥在閥體中的結(jié)構(gòu)為左右兩側(cè)對(duì)稱布置，當(dāng)回轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，液控調(diào)節(jié)彈簧4用來(lái)平衡來(lái)自液控先導(dǎo)手柄的控制壓力，左右兩側(cè)對(duì)稱布置的阻尼接頭5可以有效地限制換向閥桿的移動(dòng)速度；單向閥3用于阻止液壓油回流，在系統(tǒng)油液流向馬達(dá)時(shí)打開。

液控?fù)Q向閥閥桿2最開始處于中位狀態(tài)，將先導(dǎo)手柄向外扳動(dòng)時(shí)，液控油口A進(jìn)油使換向閥閥桿右移，壓力油從P流向A，A油口接回轉(zhuǎn)馬達(dá)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)回轉(zhuǎn)先導(dǎo)手柄向內(nèi)扳動(dòng)時(shí)，液控油口B進(jìn)油，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向則相反。

當(dāng)工作狀態(tài)處于自由滑轉(zhuǎn)時(shí)，電磁換向閥1處于得電的狀態(tài)，溢流主閥8彈簧室壓力油經(jīng)背壓?jiǎn)蜗蜷y流回油箱，溢流先導(dǎo)閥打開卸荷，即A和B接通，進(jìn)入自由滑轉(zhuǎn)工況。使用調(diào)節(jié)背壓?jiǎn)蜗蜷y來(lái)控制轉(zhuǎn)臺(tái)自由滑轉(zhuǎn)的速度，馬達(dá)油口產(chǎn)生的真空由補(bǔ)油單向閥填充。

先導(dǎo)式溢流閥6的先導(dǎo)級(jí)壓力是通過梭閥7將A和B油口壓力引入而獲取的。

1.2 回轉(zhuǎn)緩沖閥工作原理

圖2所示為XH10Z-AYFT-00(GJ)回轉(zhuǎn)緩沖閥液壓原理圖。主換向閥從a處或者b處得到先導(dǎo)壓力信號(hào)，根據(jù)此信號(hào)選擇打開主閥的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換向功能?；剞D(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，由于慣性，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致在馬達(dá)的入口產(chǎn)生一定的負(fù)壓。為了防止此種情況的發(fā)生，設(shè)置了單向閥，在出現(xiàn)此種情況的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)油。回轉(zhuǎn)緩沖閥、溢流閥和電磁換向閥共同組成了回轉(zhuǎn)閥的緩沖模塊。當(dāng)負(fù)載過高產(chǎn)生超過了溢流閥的設(shè)定壓力值時(shí)，溢流閥會(huì)打開，回轉(zhuǎn)緩沖閥和溢流閥之前產(chǎn)生壓力差，使得回轉(zhuǎn)緩沖閥的閥芯向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步使得回轉(zhuǎn)緩沖閥打開，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緩沖功能。電磁換向閥的設(shè)置，則會(huì)使得系統(tǒng)具有自由滑轉(zhuǎn)功能。

圖2 XH10Z-AYFT-00(GJ)回轉(zhuǎn)緩沖閥液壓原理

2 建立仿真模型

因?yàn)橛?jì)算模型和實(shí)際模型之間有很多差異，所以只能假設(shè)為理想狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。本文作者只對(duì)緩沖部分進(jìn)行AMESim仿真分析。由于液壓庫(kù)中沒有可以直接使用的三位六通換向閥模型及緩沖閥模型，在仿真時(shí)需要使用HCD庫(kù)中的部分模塊進(jìn)行閥的搭建。

三位六通液控?fù)Q向閥模型是整個(gè)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真模型的重要組成部分，也是回轉(zhuǎn)控制閥的重要組成部分。它的主要功能是實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)控制閥的換向，在系統(tǒng)功能層面的表現(xiàn)就是控制液壓回轉(zhuǎn)馬達(dá)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的順時(shí)針與逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，回轉(zhuǎn)緩沖閥處于不工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)施加大慣量負(fù)載時(shí)，為避免回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)振動(dòng)，回轉(zhuǎn)緩沖閥處于工作狀態(tài)，此時(shí)馬達(dá)兩側(cè)壓力升高，達(dá)到緩沖溢流閥開啟壓力，回轉(zhuǎn)緩沖閥打開，馬達(dá)兩側(cè)壓差下降。

基于AMESim建立的回轉(zhuǎn)緩沖閥仿真模型如圖3所示，主要由油源模塊、換向閥模塊、回轉(zhuǎn)緩沖閥模塊及負(fù)載模塊組成。換向閥的閥芯移動(dòng)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的左右回轉(zhuǎn)及系統(tǒng)補(bǔ)油；回轉(zhuǎn)緩沖閥的開閉實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；通過施加不同負(fù)載來(lái)分析回轉(zhuǎn)緩沖閥的功能。

圖3 基于AMESim的回轉(zhuǎn)緩沖閥仿真模型

3 仿真工況

本文作者對(duì)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)中有無(wú)增加緩沖閥的兩種工況進(jìn)行分析，驗(yàn)證緩沖閥在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中的重要性。進(jìn)一步對(duì)每種工況下，對(duì)1 000、2 000、3 000 kg·m3種不同慣量負(fù)載作用下生成的流量壓力曲線進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明其工作特點(diǎn)。仿真模型具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4 仿真結(jié)果分析

本文作者主要對(duì)換向閥接通左位時(shí)進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)比回轉(zhuǎn)液壓回路中有無(wú)緩沖閥時(shí)的流量壓力說(shuō)明其重要性。在AMESim仿真模型中，整體仿真時(shí)間為25 s，仿真打印間隔為0.01 s。在搭建模型時(shí)，將給定的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱?。給定的信號(hào)在前2 s為0，接著在4 s內(nèi)從0上升到100 N，閥芯右移，此時(shí)P-A連通、T-B連通。圖4所示為閥芯的給定力信號(hào)，圖5所示為閥芯右移時(shí)左腔(P-A)的流量曲線，圖6所示為閥芯未移動(dòng)時(shí)閥芯處于中位(P-C)的流量曲線。

圖4 閥芯的給定力信號(hào) 圖5 閥芯右移時(shí)換向閥左腔流量曲線

圖6 閥芯處于中位流量曲線

由圖4—圖6可知，當(dāng)閥芯未移動(dòng)時(shí)即0～2 s時(shí)，P-A通路不通，P-C打開；當(dāng)換向閥在為2 s打開時(shí)，P-C腔無(wú)流量通過，此時(shí)P-A接通，通過的最大流量為80 L/min。

在AMESim仿真模型中，相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置不變，將系統(tǒng)的負(fù)載慣量依次設(shè)置為1 000、2 000、3 000 kg·m,得到的緩沖閥閥口流量曲線如圖7所示。

圖7 緩沖閥閥口流量曲線

由圖7可知：在不同負(fù)載(輕載、中載、重載)工況下，緩沖閥打開通過的最大流量隨著負(fù)載的增大而增加?；剞D(zhuǎn)控制閥的開啟時(shí)刻分別為10.75、10.78、10.90 s，相差很小，最大差僅為0.15 s?；剞D(zhuǎn)控制關(guān)閉時(shí)刻分別為12.92、15.32、17.65 s。隨著負(fù)載的增大，緩沖閥需要緩沖的時(shí)間變長(zhǎng)。

圖8所示為無(wú)緩沖閥時(shí)馬達(dá)流量曲線，圖9所示為有緩沖閥時(shí)馬達(dá)流量曲線。可知：若液壓系統(tǒng)工作時(shí)未使用緩沖閥，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向閥開啟時(shí)流量不穩(wěn)定，存在波動(dòng)；若液壓系統(tǒng)工作時(shí)使用緩沖閥，則不存在波動(dòng)現(xiàn)象，可有效減緩沖擊。此外，還可看出負(fù)載越大，調(diào)節(jié)的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖8 無(wú)緩沖閥時(shí)馬達(dá)流量曲線

圖9 有緩沖閥時(shí)馬達(dá)流量曲線

圖10所示為無(wú)緩沖閥時(shí)馬達(dá)壓力曲線，圖11所示為有緩沖閥時(shí)馬達(dá)壓力曲線?？芍?在不同負(fù)載(輕載、中載、重載)工況下，若工作時(shí)未使用緩沖閥，則馬達(dá)工作壓力可達(dá)到15～20 MPa，因?yàn)楫?dāng)負(fù)載變大時(shí)，若無(wú)緩沖作用，馬達(dá)兩側(cè)壓力會(huì)急劇增大，保留在系統(tǒng)內(nèi)且不能卸載;若工作時(shí)使用緩沖閥，馬達(dá)兩端壓力分別在0.2～0.335 MPa之間，壓力很小,有效地減緩了由于系統(tǒng)外負(fù)載對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成的沖擊破壞。

圖10 無(wú)緩沖閥時(shí)馬達(dá)壓力曲線

圖11 有緩沖閥時(shí)馬達(dá)壓力曲線

5 結(jié)論

本文作者通過對(duì)XH10Z-AYFT-00回轉(zhuǎn)緩沖閥進(jìn)行AMESim仿真，分析了回轉(zhuǎn)緩沖閥的動(dòng)態(tài)性能，驗(yàn)證了緩沖閥在整個(gè)系統(tǒng)中起到的重要作用。主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)負(fù)載過大，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力超過了溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥會(huì)打開，回轉(zhuǎn)緩沖閥和溢流閥之前產(chǎn)生壓力差，使得回轉(zhuǎn)緩沖閥的閥芯向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步使得回轉(zhuǎn)緩沖閥打開，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緩沖功能；

(2)回轉(zhuǎn)緩沖閥在系統(tǒng)中可有效減小壓力沖擊對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的破壞，保護(hù)系統(tǒng)，使操作更安全，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。