某特種車輛液壓調平系統雙向液壓鎖動態性能仿真研究

周大星，瞿軍，呂小勇

(1.海軍航空工程學院研究生管理大隊，山東煙臺264001;2.海軍航空工程學院飛行器工程系，山東煙臺264001)

雙向液壓鎖廣泛應用于工程、運輸、起重等機械中的油缸保壓回路，能夠在支腿伸出后進行油路鎖定，避免發生意外情況時支腳失去控制而造成事故[1－2]。在某特種車輛中，其作用是可靠鎖定調平油缸工作位置，保證車體的精確調平和保持精度。因此，深入研究雙向液壓鎖的結構原理，分析影響其動態特性的主要因素，有利于該裝置的正確使用和性能維護，確保調平系統的可靠使用。

作者利用AMESim軟件建立起雙向液壓鎖仿真模型[3－4]，對影響調平系統性能的參數:控制閥芯質量值和阻尼值、單向閥閥芯質量值和彈簧剛度值等進行了仿真，從對液壓缸伸出時間和壓力流量平穩性的分析中，得到影響雙向液壓鎖動態特性的主要因素。研究并劃分了液壓鎖故障狀態，通過仿真分析，得出了故障狀態臨界參數。

1 雙向液壓鎖建模

1.1 雙向液壓鎖結構原理

雙向液壓鎖由兩個液控單向閥共用一個閥體和控制閥芯組成。液控單向閥在兩端，中間有一個控制閥芯。如圖1所示。

圖1 雙向液壓鎖結構

當壓力油從A腔進入時，依靠油壓自動將左邊的液控單向閥閥芯頂開，使油液從A 流腔向A1腔。同時，通過控制閥芯把右邊的液控單向閥頂開，將原來封閉在B1腔中的油液，通過B腔排出。同理，當B 油腔進油時，A 油腔就反向出油。當A、B 兩腔都沒有壓力油時，A1腔與B1腔的反向油液依靠液控單向閥閥芯的錐面與閥體的嚴密接觸而封閉。此時，執行元件被雙向鎖定[5]。

1.2 仿真模型建立[6－7]

根據雙向液壓鎖的功能，針對一個調平油缸建立“鎖－缸”執行回路，從而通過液壓缸的響應特性分析液壓鎖的動態特性。具體建模過程有以下幾個步驟:

(1)進入AMESim軟件的草圖模式，在Hydraulic元件庫中選取相應的液壓泵、液壓缸和換向閥元件，構建如圖2所示的仿真模型。利用HCD 庫中的基本元件來構建雙向液壓鎖模型，這樣能夠準確仿真其內部結構，便于深入分析影響動態特性的主要因素。

圖2 雙向液壓鎖仿真模型

(2)在子模型模式下，根據各個元件的實際類型來選取對應元件的子模型。重點選擇雙向液壓鎖的子模型種類，其他元件均選用AMESim 默認子模型。

(3)在參數模式下為各個元件設置參數。主要參數設置如表1，其他參數設置為默認值。

表1 主要參數

(4)在運行模式下，設置運行參數:仿真時間30 s，采樣時間0.1 s，仿真模式為動態。

2 仿真分析

為了研究不同參數下雙向液壓鎖的動態特性，分別對可能影響其性能的參數:控制閥芯質量值和阻尼值、單向閥閥芯質量值和彈簧剛度值進行仿真分析。

2.1 控制閥芯參數仿真分析

通過改變控制閥芯質量值，仿真得到控制閥芯不同質量下的液壓缸伸出時間曲線，如圖3所示;液壓缸壓力和流量曲線如圖4所示。

圖3 控制閥芯不同質量下的液壓缸伸出時間

圖4 控制閥芯不同質量液壓缸壓力和流量標準差

改變控制閥芯阻尼值，仿真得到控制閥芯不同阻尼下的液壓缸伸出時間曲線如圖5所示，控制閥芯不同質量液壓缸壓力曲線如圖6所示，液壓缸流量曲線如圖7所示。

圖5 控制閥芯不同阻尼下的液壓缸伸出時間

圖6 控制閥芯不同阻尼下的液壓缸壓力

圖7 控制閥芯不同阻尼下的液壓缸流量

由圖3可以看出:液壓缸的伸出時間基本在27.9～28.2 s 之間，變化不大。當控制閥芯質量低于0.2 kg時，液壓缸的伸出時間基本呈增長趨勢，從27.9 s 增長到28.2 s;當控制閥芯質量高于1 kg時，基本保持在28.1 s，波動很小，表明控制閥芯質量對液壓缸的伸出時間影響不大。

由圖4可以看到:控制閥芯質量為0.4 kg時，壓力標準差約為14.57，而閥芯質量為1.6 kg時，壓力標準差增加到15.83，總體呈上升趨勢，但是增長幅度不大;液壓缸工作流量的標準差先是由7.30 降低到6.58，然后又上升到7.95，變化也不大。這說明控制閥芯質量對液壓缸的工作壓力和流量影響較小。

由圖5可以看出:其他條件不變情況下，液壓缸的伸出時間隨雙向液壓鎖控制閥芯阻尼增大而顯著增大，并且在控制閥芯阻尼為1 000～6 000 N/ (m/s)之間近似線性增長，從約28.3 s 迅速增至約37.3 s。

由圖6可發現:在控制閥芯阻尼在1 000～6 000 N/ (m/s)之間，液壓缸的平均工作壓力變化不大，基本在7.5 MPa 左右，而工作壓力標準差基本在20左右，波動不大。

由圖7可發現:液壓缸的平均工作流量在控制閥芯阻尼為200～6 000 N/ (m/s)之間近似線性下降，同時，液壓缸的工作流量標準差近似線性增長，速度穩定性變差。

2.2 單向閥閥芯參數仿真分析

通過改變單向閥閥芯質量值，仿真得到控制閥芯不同質量下的液壓缸工作曲線，如圖8所示。改變單向閥閥芯彈簧剛度值，仿真得到單向閥閥芯不同彈簧剛度下的液壓缸伸出時間曲線如圖9所示;液壓缸壓力曲線如圖10所示;液壓缸流量曲線如圖11所示。

圖8 單向閥閥芯不同質量下的液壓缸伸出時間

圖9 單向閥閥芯不同彈簧剛度下的液壓缸伸出時間

圖10 單向閥閥芯不同彈簧剛度下的液壓缸壓力

圖11 單向閥閥芯不同彈簧剛度下的液壓缸流量

由圖8可以看出:隨著單向閥閥芯質量的增加，液壓缸的伸出時間總體上呈增長趨勢，閥芯質量為0.02 kg時，液壓缸伸出時間最小，為28 s;閥芯質量為1.2 kg時，液壓缸伸出時間最大，為30.4 s。

由圖9可以看出:其他條件不變，在單向閥彈簧剛度小于320 N/mm時，液壓缸伸出時間基本在28 s左右;而在320～600 N/mm時，液壓缸伸出時間隨彈簧剛度增大呈近似線性增大，并且增長迅速。說明彈簧剛度對液壓缸性能的影響比較大。

由圖10看出:在彈簧剛度小于320 N/mm時，液壓缸平均工作壓力有所上升，而在大于320 N/mm時變化較小。液壓缸工作壓力標準差在彈簧剛度小于320 N/mm時略有下降，在大于320 N/mm時基本保持在5 左右。

由圖11可以看出:液壓缸工作流量隨彈簧剛度增加變化比較劇烈，整體上呈下降趨勢，但是液壓缸流量標準差隨彈簧剛度變化不大，表明液壓缸的伸出速度比較穩定。

2.3 雙向液壓鎖故障仿真分析

2.3.1 故障狀態劃分

某特種車輛對調平性能要求為:調平精度縱向誤差不大于±1.9°，橫向誤差不大于±1.9°;調平時間為(30 ±2)s。而調平液壓缸的安裝參數為:橫向約5.5 m，縱向約2.4 m。假設理想情況下，地面已經水平，4個液壓缸同時伸出到設計行程就能保證精確調平。但是一旦有液壓缸異常工作，其伸出長度可能會達不到設計行程。因而定義調平液壓缸的伸出長度誤差為:在滿足調平性能前提下，異常工作液壓缸伸出長度小于設計行程的最大值。根據調平系統結構和安裝參數可求得其值為0.08 m。

在實際使用中，液壓鎖常見故障為閥芯卡住、彈簧斷裂、泄漏孔堵塞等[8]。這些故障均會導致工作時間的增大或者液壓缸的伸出長度不夠。因此設定某特種車輛的調平故障為在規定最大時間(32 s)內不能到達設計行程(0.8 m)。另外，液壓缸存在緩沖和排氣裝置，實際中并不能完全伸長到設計行程，所以允許有不超過2%的誤差(即液壓缸伸出長度達到0.78 m 就視為調平到位)。

基于以上要求和設定，按照故障嚴酷等級將雙向液壓鎖故障狀態劃分為:

無故障。液壓缸伸出長度誤差小于0.02 m;

輕微故障。液壓缸伸出長度誤差為0.02～0.08 m;

嚴重故障。液壓缸伸出長度誤差大于0.08 m。

2.3.2 雙向液壓鎖故障仿真與分析

首先選擇一組狀態優良的雙向液壓鎖性能參數作為標準參數，其具體設置如表2。設此時調平系統狀態為正常狀態，以閥芯卡住故障為例，通過調整不同的雙向液壓鎖參數模擬故障，對導致輕微故障和嚴重故障的臨界參數值進行仿真分析。

表2 標準參數

產生閥芯卡住故障的主要原因是由于閥芯與閥體配合間隙太小、閥芯受力不均或油液雜質多造成了閥芯摩擦力f 過大。保持其他參數不變，設置兩端單向閥閥芯受到不同的摩擦力f，通過仿真得到液壓缸伸出長度。表3是部分參數的仿真結果。

表3 部分參數仿真結果

由仿真結果可知:在單向閥閥芯摩擦力f=5.9 N時，液壓缸伸出長度為0.781 m，與設計行程誤差為0.019 m，可以作為產生閥芯卡住輕微故障的臨界值。同理，當f=10.1 N時，液壓缸伸出長度與設計行程誤差為0.08 m，可以作為產生閥芯卡住嚴重故障的臨界值。

實際情況中，閥芯摩擦力不可能為0，因此設理想狀態下其摩擦力為0.02 N。對閥芯摩擦力f=0.02，5.9，10.1 N時的調平系統進行對比仿真，得到液壓缸無桿腔壓力和流量曲線如圖12、13所示。

圖12 液壓缸無桿腔壓力曲線

圖13 液壓缸無桿腔流量曲線

由以上曲線可知:隨著閥芯摩擦力的增大，液壓缸無桿腔的平均壓力增大，平均流量減小，且壓力和流量波動減小，趨向于平穩。原因是閥的開口阻力增大，開口量減小，通過閥的液壓油減少，起到了節流的作用。

3 結論

(1)影響液壓鎖性能的主要因素是單向閥閥芯彈簧剛度和控制閥芯阻尼，控制閥芯質量和兩端的單向閥閥芯質量對其性能有影響但是影響不大，見表4—7。

表4 單向閥芯彈簧剛度變化時液壓缸伸出時間變化表%

表5 控制閥芯阻尼變化時液壓缸伸出時間變化表 %

表6 單向閥閥芯質量變化時液壓缸伸出時間變化表 %

表7 控制閥芯質量變化時液壓缸伸出時間變化表 %

隨著控制閥芯阻尼增大，液壓缸伸出時間增大，但速度穩定性變差;隨著單向閥閥芯彈簧剛度增大，液壓缸伸出時間增大，速度穩定性變化不大。

(2)通過雙向液壓鎖的故障仿真，得出閥芯輕微故障的臨界值為單向閥閥芯摩擦力f=5.9 N;嚴重故障的臨界值為f=10.1 N。

【1】王春生，劉長喜，司麗麗.基于AMESim的汽車起重機雙向液壓鎖仿真研究[J].設備管理＆維修技術，2010(2):77－81.

【2】蘇東海，于江華.液壓鎖仿真新技術AMESim 及應用[J].計算機應用技術，2006(11):36－37.

【3】孫成通，陳國華，蔣學華，等.液壓系統仿真技術與仿真軟件研究[J].機床與液壓，2008，36(10):140－143.

【4】方彥凱.AMESim軟件在液壓支架立柱系統建模及仿真中的應用[J].煤礦機械，2009，30(7):57－58.

【5】賈銘新.液壓傳動與控制[M].北京:國防工業出版社，2007.

【6】余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2005(3):28－31.

【7】付永領，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京:北京航空航天大學，2011.

【8】趙靜一，曾輝，李侃.液壓氣動系統常見故障分析與處理[M].北京:化學工業出版社，2009.