礦用自卸車流量放大器AMESim 建模與特性研究＊

楊務(wù)滋 王昌平 黃亞光 金 斌

（中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 長沙 410083） （湘電重型裝備股份有限公司2） 湘潭 411100）

大型礦用自卸車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對整車的安全及操作性能都起著至關(guān)重要的作用.為了合理利用系統(tǒng)功率，以及滿足操作平穩(wěn)輕便的大排量高性能轉(zhuǎn)向的要求［1－3］，近年出現(xiàn)了2種全液壓轉(zhuǎn)向器：一是同軸流量放大轉(zhuǎn)向器，它增加了轉(zhuǎn)向器本身內(nèi)部通道的過流面積和擺線計(jì)量馬達(dá)的排量系數(shù)；二是采用小排量轉(zhuǎn)向器控制流量放大器，轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn)油路方向的選擇，流量放大器實(shí)現(xiàn)回路中流量的放大.因此，對全液壓放大轉(zhuǎn)向器的研究意義十分重大.

本文針對300t礦用自卸車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的由小排量轉(zhuǎn)向器控制的流量放大器進(jìn)行分析研究.通過對流量控制閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，進(jìn)一步建立流量放大器AMESim 動態(tài)仿真模型，研究在不同控制流量及不同負(fù)載情況下，流量放大器的工作特性.

1 流量放大器原理

該流量放大器由優(yōu)先閥、流量控制閥（由放大閥和開關(guān)閥組成）、方向控制閥，以及緩沖閥與補(bǔ)油閥組成［4－5］，如圖1所示.流量閥的HP油口接液壓泵的出口，轉(zhuǎn)向器和流量控制閥并聯(lián)，優(yōu)先閥為其供油，多余的流量通過EF油口進(jìn)入其他液壓工作裝置.方向控制閥的CL油口和CR 油口與液壓轉(zhuǎn)向油缸相連，油口L和R與轉(zhuǎn)向器相連.當(dāng)沒有轉(zhuǎn)向時(shí)，流量放大器油口L，R，LS和T 相連接，通過油口HL回到油箱.緩沖閥和補(bǔ)油閥具有能夠給轉(zhuǎn)向油缸提供高壓緩沖和低壓補(bǔ)油的功能.

當(dāng)車輛左轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向器向流量放大器的L口供油，該油液推動方向控制閥閥芯右移，油液進(jìn)入放大閥右端，并推動放大閥芯左移.該路油液經(jīng)過放大閥中路折回再經(jīng)方向控制閥與CL 口連通；放大閥左移的同時(shí)，左路逐漸連通，P 口油液經(jīng)放大閥左路推動下面的開關(guān)閥打開.在放大閥中路與L口油液合流通至CL口，CL口的流量等于L口流量與P 口流量之和.方向盤右轉(zhuǎn)，R 口進(jìn)油時(shí)工作原理相同.

2 流量控制閥數(shù)學(xué)建模

流量控制閥的物理模型如圖2所示，Q為P口進(jìn)入流量放大器的流量，Qs為來自轉(zhuǎn)向器的控制流量.根據(jù)物理模型建立流量控制閥的數(shù)學(xué)模型如下.

圖1 礦用自卸車流量放大器原理

圖2 流量控制閥的結(jié)構(gòu)模型

2.1 流量連續(xù)性方程

根據(jù)流量連續(xù)性方程［6－7］，忽略內(nèi)泄漏，流量控制閥上各節(jié)流口及閥芯端面容腔的流量方程如下.

1）A11，A12，A13，AS各節(jié)流口的流量方程

由流量連續(xù)性方程有：Q＝Q1，Q2＝Q3

2）先導(dǎo)節(jié)流孔及單向閥的流量方程

3）閥芯端面容腔的流量方程

由流量連續(xù)性方程有：Q1＝Q2＋Qd＋Qr，Qe＝Qb＋Qd

式中：Qa為流入D1端的流量，L／min；Qb為流出D2端的流量，L／min；Qc為流出流量放大器的流量，L／min；Qd為流經(jīng)單向閥的流量，L／min；Qf為流出D3端的流量，L／min；Qr為流入D4端的流量，L／min；Q1，Q2，Q3，Q4分別為流經(jīng)A11，A12，A13，As節(jié)流口的流量；w1，w2，w3，ws分 別 為A11，A12，A13，As節(jié)流口的面積梯度；Va，Vb為流量控制閥放大閥左、右腔的油液體積，mm3；Vf，Vr為流量控制閥開關(guān)閥左、右腔的液體積油，mm3；pa，pb為流量控制閥放大閥左、右腔的油液壓力，MPa；pf，pr為流量控制閥開關(guān)閥左、右腔的油液壓力，MPa；β 為流量控制閥有效體積彈性系數(shù)，N／mm.

2.2 力平衡方程

由圖2可知，根據(jù)平衡方程得，流量控制閥所受力方程為：

3 流量放大器AMESim 建模與仿真分析

3.1 流量放大器AMESim 建模

AMESim 是由法國IMAGINE 公司開發(fā)的多學(xué)科復(fù)雜系統(tǒng)高級建模和仿真平臺，此平臺考慮了液壓元件與系統(tǒng)的各種非線性特性，并具有強(qiáng)大的解算功能，為機(jī)械、液壓、氣動、熱、控制、電磁等工程提供一個(gè)較為完善的綜合仿真壞境，其中液壓仿真軟件包包含了大量的液壓元件、液壓源和液壓管路等，這些元件的數(shù)學(xué)模型充分考慮了液壓油的可壓縮性、元件的非線性特性等.軟件強(qiáng)大的后處理功能更是為工程分析提供了良好的支持［8］.基于AMESim 的流量放大器模型搭建過程如下.

1）根據(jù)流量放大器的工作原理和結(jié)構(gòu)，從AMESim 模型庫中選取合適元件并按照原理圖連好.由于在AMESim 軟件標(biāo)準(zhǔn)庫中沒有優(yōu)先閥、流量控制閥及方向控制閥的模型，運(yùn)用軟件中HCD（Hydraulic component design）庫搭建其模型.為提高模型運(yùn)算效率，在不影響系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了必要的簡化，考慮到回油背壓閥壓降很小，回油背壓閥不予建模.

2）根據(jù)元件的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)分析，為不同層次的元件選擇合適的數(shù)學(xué)模型；定義模型中全局性液壓參數(shù)，如油液的體積模量、密度、動力粘度和工作溫度等；定義各個(gè)液壓元件的關(guān)鍵尺寸與內(nèi)部參數(shù).全局性液壓參數(shù)數(shù)值見表1.

表1 仿真模型的全局性液壓參數(shù)

3）采用礦用自卸車的實(shí)際轉(zhuǎn)向動力缸，并施加實(shí)際負(fù)載，即車輛滿載時(shí)載重300t，轉(zhuǎn)向動力缸單缸所受最大阻力340000N.

4）結(jié)合流量放大閥的工作原理，按照上述步驟建立流量放大閥的AMESim 仿真模型如圖3所示.

5）設(shè)置仿真時(shí)間為3s，步長為0.002，進(jìn)行仿真.

3.2 流量放大器的仿真分析

1）控制流量為階躍信號35L／min，等效單缸負(fù)載340000N，此時(shí)，流量放大器的輸出流量、輸出壓力參數(shù)的響應(yīng)曲線.

圖3 流量放大器AMESim 模型

由圖4，5仿真結(jié)果曲線可以看出，當(dāng)給流量放大器施加控制流量為階躍控制信號時(shí)，由于閥芯閥套相對位移從零突然增大.流量放大器各節(jié)流口的面積突然變化，打破系統(tǒng)原平衡，引起流量放大器壓力和流量相應(yīng)的變化，所以系統(tǒng)流量、壓力有一定的超調(diào)量，然后才恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài).其中流量曲線的最大超調(diào)量約為15%，當(dāng)穩(wěn)定誤差取在2%以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間約為0.16s.

圖4 流量放大器輸出流量

圖5 流量放大器輸出壓力

2）控制流量在3s內(nèi)從0L／min 線性增到35L／min，等效轉(zhuǎn)向缸單缸負(fù)載為340000N，此時(shí)流量放大器輸出流量響應(yīng)曲線.

由圖6仿真結(jié)果曲線可看出，流量放大器入口壓力經(jīng)過短暫波動后很快恢復(fù)到穩(wěn)定值.

圖6 流量放大器的入口壓力

根據(jù)圖7仿真結(jié)果可知，當(dāng)控制流量為斜坡信號時(shí)，該流量放大器的輸出流量波動小，在2.7s后流量放大器輸出流量趨于穩(wěn)定值277L／min；流量放大器輸出流量在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)基本成線性規(guī)律變化.

圖7 輸出流量與控制流量的關(guān)系

3）控制流量在3s內(nèi)從0L／min線性增到35L／min，等效轉(zhuǎn)向缸單缸負(fù)載3s內(nèi)從25000N線性增加到300000N，此時(shí)流量放大器的入口壓力曲線和輸出流量曲線.

由圖8可以看出，流量放大器的入口壓力隨負(fù)載變化而變化.由圖7、圖9 可知，在控制流量信號相同的情況下，流量放大器的輸出流量曲線趨勢一致；在1.5s和2.5s時(shí)刻兩流量大小偏差分別為1.3%和1.1%.能很好的滿足自卸車在礦山惡劣環(huán)境下運(yùn)行的要求.

圖8 流量放大器的入口壓力

圖9 輸出流量與控制流量的關(guān)系

這種現(xiàn)象主要因?yàn)椋寒?dāng)負(fù)載增加時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸高壓腔的壓力也會上升，同時(shí)經(jīng)由LS 口反饋到流量放大器的優(yōu)先閥的彈簧端，閥芯平衡被打破，閥芯左移，使流量放大器內(nèi)部油路流量增加，補(bǔ)償了因流量放大器內(nèi)部各節(jié)流口兩端壓差增加所需要的流量，從而使流量放大器輸出的流量基本保持不變.

4）改變圖2中控制節(jié)流口Aa的直徑，研究在不同控制節(jié)流口直徑下，控制流量為階躍信號35L／min，等效單缸負(fù)載340000N 時(shí)，流量放大器的流量響應(yīng)特性.

圖10中仿真結(jié)果曲線1～4分別對應(yīng)節(jié)流口直徑：0.6，0.8，1，1.2mm.由圖10可以看出，Aa節(jié)流口直徑在0.8mm 時(shí)，流量放大器的響應(yīng)時(shí)間較短，超調(diào)量較小不到15%，當(dāng)穩(wěn)態(tài)誤差取在2%以內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間不到0.15s.當(dāng)節(jié)流口直徑為0.8mm 時(shí)，流量放大器具有更好的動態(tài)特性.所以，在設(shè)計(jì)流量放大器時(shí)應(yīng)選擇好節(jié)流口尺寸，能提高系統(tǒng)整性能.

圖10 不同節(jié)流口直徑下流量放大器的輸出流量

4 結(jié) 論

1）通過對流量放大器的研究，對流量放大器的重要元件進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，運(yùn)用AMESim 仿真軟件建立了全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中流量放大器的仿真模型，為今后分析與研究全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)特性提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ).

2）仿真結(jié)果分析表明，在控制流量為35 L／min的階躍控制信號時(shí)，響應(yīng)時(shí)間約為0.16s.壓力超調(diào)量約為3.2%，在合理范圍內(nèi)，所以流量放大器響應(yīng)特性良好.

3）在相同的控制流量下，而負(fù)載變化時(shí)，流量放大器的入口壓力隨負(fù)載變化而變化，但流量放大特性不因壓力變化而顯著變化，流量放大器具良好的壓力穩(wěn)定性；流量放大器輸出流量在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)基本成線性規(guī)律變化，流量放大器具有良好的流量放大特性.

［1］NONUCHI M.Trend and future prospect regarding steering system technology［J］.KOYO Engineering Journal Edition，2001（159E）：38－41.

［2］張高升，鄭紹春，魏 艷.WTW90型重型平板運(yùn)輸車非線性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2008，32（4）：771－774.

［3］王慶豐，魏建華，吳根茂，等.工程機(jī)械液壓控制技術(shù)的研究進(jìn)展與展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（12）：51－56.

［4］田晉躍，賈會星.大型工程機(jī)械全液壓轉(zhuǎn)向流量放大閥的技術(shù)特點(diǎn)分析［J］.上海：中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2006（1）：43－46.

［5］王 慶，魯植雄.基于AMESim 的流量放大閥建模和仿真研究［J］.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（10）：137－139.

［6］何存興，張鐵華.液壓傳動與氣壓傳動［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.

［7］徐元昌.流體傳動與控制［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.

［8］盧 寧，付永領(lǐng)，孫新學(xué).單神經(jīng)元在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用與電液聯(lián)合仿真［J］.北京：系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18（11）：3180－3182，3186.