基于AMESim的壓力流量比例控制變量泵仿真分析

劉 軍，劉軍營，王建香，劉新釗，李國棟

（山東理工大學機械工程學院，山東淄博255091）

壓力或流量單一控制的液壓系統雖然具有一定的節能效果，但不適合用在多級壓力和流量控制的大功率設備上．本文針對這一問題構建壓力流量比例變量泵系統方案，以實現壓力和流量的復合控制，使泵的輸出功率與負載所需要的功率相匹配，從而降低能耗損失

1 壓力流量比例控制變量泵的構建及其調節原理

結合壓力流量復合控制技術和電液比例控制技術的優點建立如圖1所示的壓力流量比例控制變量泵方案．圖1中，比例節流閥5和恒流閥7構成了系統的流量控制回路，前置式節流器R、比例壓力閥8和恒壓閥6構成了系統的壓力控制回路．與帶有公用二級閥的壓力流量復合控制系統相比，由于該系統分別采用了恒流閥和恒壓閥來實現對系統流量和壓力的控制，所以可以根據系統的具體要求分別選取恒流閥和恒壓閥的參數，以達到最優控制的目的．

當負載壓力PL小于比例壓力閥的設定壓力PV0時，系統處在流量調節范圍內，比例壓力閥關閉，此時PL＝PV，Pb－PV＝Pb－PL＝常數（Pb為泵的輸出壓力，PV為前置式節流器R右端的壓力）；當系統處于平衡狀態時，此常數為比例節流閥5兩端的壓差，所以比例節流閥的開度一定時，通過比例節流閥的流量QL保持恒定，不受負載壓力變化的影響［4]，此時比例節流閥5兩端的壓差直接作用于恒流閥的兩端．由于在流量調節范圍內，負載壓力PL小于比例壓力閥的設定壓力PV0，所以前置式節流器R無流量通過，因此前置式節流器兩端的壓力相等，即PL＝PV，恒壓閥閥芯在其彈簧力的作用下處于左極端位置，恒壓閥不起控制作用．

圖1 壓力流量比例控制變量泵方案

當負載壓力PL大于比例壓力閥的設定壓力PV0時，比例壓力閥打開，系統處在壓力調節范圍內，在前置式節流器R的作用下，恒壓閥兩端的壓差推動恒壓閥閥芯迅速右移，高壓油進入變量大缸，推動變量大缸活塞左移，使斜盤傾角迅速下降到接近于0，泵的排量迅速下降到接近于0，系統在高壓（比例壓力閥的設定壓力PV0）小流量下工作，避免了傳統液壓系統的高壓溢流損失．同時，泵的輸出壓力不再上升，避免了設備的損壞，保護了系統元件，系統壓力控制和流量控制的時間轉換可以通過計算機來控制

在最靠近變量大缸的恒壓閥通路上，并聯了一個帶液阻R1的通路以及相應的帶液阻R2和R3的通路．這種布局，給變量控制及系統運行在快速性、穩定性等多方面帶來有利影響［8]．

2 壓力流量比例控制變量泵仿真模型及參數設置

根據圖1所示的壓力流量比例控制變量泵方案，建立如圖2所示的仿真模型．圖2中，恒流閥、恒壓閥、變量缸由HCD（液壓元件設計庫模塊）構建而成，通過反復調試仿真模型和參數優化，將仿真模型的參數設置如下：電機額定轉速1 000r／min、變量泵最大排量100L／min、比例節流閥設定壓差1．5MPa、恒壓閥閥芯直徑6．5mm、恒壓閥閥芯質量0．01kg、恒流閥閥芯直徑6．5mm、恒流閥閥芯質量0．02kg、恒流閥彈簧預緊力49．75N、恒壓閥彈簧預緊力5N、變量大缸直徑50mm、變量小缸直徑20mm、液壓油密度850kg／m3、液壓油工作溫度40℃．

3 壓力流量比例控制變量泵仿真分析

3．1 壓力流量調節特性仿真分析

如圖2所示，通過調節比例節流閥6的輸入信號，可以改變負載所需要的流量，比例節流閥的開口變化如圖3所示．比例節流閥開口在0～1的變化范圍內可以按比例進行調節，其中0表示比例節流閥開口完全關閉，1表示比例節流閥開口完全打開．比例節流閥開口完全打開時，負載所需流量為100L／min，調節圖2中的負載壓力設置閥9，設置負載壓力按照圖4所示規律進行變化，調節圖2中的比例壓力閥10，設置其開啟壓力為16MPa，設置仿真時間為4s，采樣時間間隔為0．001s．得到的仿真曲線如圖5～圖8所示．

結論如下：

1）由圖3和圖5可以看出，在0～1．5s和2．5～4s時間段內，系統處于流量控制階段，泵的輸出流量幾乎完全按照比例節流閥的開口變化按比例進行輸出，泵的輸出流量根據負載的需求而改變且幾乎沒有剩余，避免了傳統定量泵液壓系統的流量損失，有效節約了能量．

2）由圖3可知，在0．5～1．5s時間段內，比例節流閥的開度不變，系統處于恒流控制狀態．如圖4所示，負載壓力在這段時間內發生了變化，在0．8s時，負載壓力由13MPa下降到10MPa，在1．1s時，負載壓力由10MPa上升到13MPa．由圖5可以看出，泵的輸出流量在0．8s和1．1s時，經短暫的調整又恢復到原來的輸出流量．由此說明，當比例節流閥的開度一定時，負載壓力的變化不影響系統的恒流值．

3）如圖4所示，在1．5～2．5s時間段內，負載設置壓力為20MPa，大于比例壓力閥的設定壓力16MPa，系統處于壓力控制狀態；如圖5所示，在此時間段內泵的輸出流量接近于0，僅輸出維持系統泄漏和保壓所需要的流量；如圖6所示，此段時間的泵的輸出壓力為比例節流閥的設定壓力16MPa，系統在高壓小流量下工作，避免了傳統液壓系統的高壓溢流損失．

圖2 壓力流量比例控制變量泵仿真模型

圖3 比例節流閥的開口變化

4）如圖6所示，在0～1．5s和2．5～4s時間段內，泵的輸出壓力始終比負載壓力高出一個很小的固定值（1．5MPa），因此系統的節流損失很小．

圖4 負載設定壓力變化

5）如圖7所示，泵的輸出功率隨著負載消耗功率的變化而變化，兩者差值很小，泵的輸出功率得到充分的利用，尤其在壓力控制階段，泵的輸出功率接近于0，避免了傳統液壓系統在保壓時較大的功率損失．

6）如圖8所示，在0～1．5s和2．5～4s時間段內，當負載壓力或比例節流閥的開度變化時，比例節流閥兩端的壓差經過短暫的調整后又恢復到原來的恒定差值（1．5MPa）．在1．5～2．5s時間段內，由于泵的輸出流量接近于0，所以通過比例節流閥的流量接近于0，因此比例節流閥兩端的壓差接近于0，比例節流閥兩端的壓力基本相等．在此時間段內，恒流閥閥芯在其彈簧力的作用下處于左端位置而不起控制作用，因此如圖3、圖4所示，在此時間段內泵的輸出流量不受比例節流閥開度變化的影響．

圖5 泵輸出流量變化

圖6 泵的輸出壓力隨負載壓力的變化

圖7 泵的輸出功率隨負載消耗功率的變化

圖8 比例節流閥兩端的壓差變化

3．2 恒流閥閥芯質量對系統動態特性的影響

調節圖2中的比例節流閥6，設置比例節流閥的開度為0．6即60%，此時負載所需要的流量為60L／min．調節圖2中的負載壓力設置閥9，設置負載壓力為10MPa，設置系統仿真時間為0．5s，采樣時間間隔為0．001s，得到的仿真曲線如圖9所示．

圖9中，曲線1、2、3、4表示恒流閥閥芯質量分別為0．02kg、0．03kg、0．04kg、0．05kg時，泵的輸出流量及壓力的變化曲線．由圖9（b）可以看出，隨著恒流閥閥芯質量的增大，負載所需流量的超調量逐漸增大，震蕩逐漸增大，流量變得越來越不穩定，即負載速度變得越來越不穩定．由圖9（d）可以看出，隨著恒流閥閥芯質量的增大，流量的不穩定導致泵的輸出壓力也變得不穩定．這是由于恒流閥芯質量越大，則其慣性越大，穩定性越差．因此，在設計和制造中，必須保證在壓力和流量穩定性要求較高的液壓系統中，恒壓閥閥芯質量不宜過大，否則會影響系統壓力和流量的穩定．

4 結束語

（1）該系統不但具有良好的恒流控制性能，而且能夠通過調節比例節流閥的開度來改變負載所需要的流量，以滿足負載的速度要求．在流量控制階段，泵的輸出壓力僅比負載壓力高出一個很小的固定值，因此系統的節流損失很小．在壓力控制階段，系統在高壓小流量下工作，避免了傳統定量泵液壓系統的高壓溢流損失，有效降低了能量損失．此外，該系統可以調節比例壓力閥的輸入信號，按比例改變系統的恒壓值．

（2）恒流閥閥芯質量對系統輸出壓力和負載速度的穩定起著重要的作用，因此要根據具體要求合理選擇設計恒流閥閥芯質量．

圖9 負載所需流量和泵輸出壓力隨恒流閥閥芯質量的變化曲線

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［8] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐，等．新編實用電液比例技術［M] ．杭州：浙江大學出版社，2006．