基于AMESim的固沙車插草液壓回路動態特性分析

趙增耀 朱陽 陳文斌

陜西汽車控股集團有限公司 陜西西安 710200

1 前言

固沙車是用于沙漠治理或預防的特種工程車輛。車輛在作業時將草料鋪設到地面上，利用壓刀將草料壓入沙漠中，完成草方格鋪設作業[1]。固沙車插草液壓回路的主要作用是在工作過程中驅動壓刀將草料壓入沙漠中。因此，插草液壓回路需具有快速連續循環工作的能力，同時，壓刀液壓缸在工作行程末端應避免因活塞快速運動導致沖擊現象。針對插草液壓回路的工作特性，采用液壓差動控制回路可實現插草液壓缸快速下行動作，液壓缸大腔增加緩沖裝置設計防止活塞上行末端沖擊。液壓動力油口配置蓄能器，可有效防止液壓缸快速工作過程中產生的沖擊振蕩。現以固沙車插草液壓回路為研究對象，分析液壓差動回路、液壓缸緩沖、蓄能器容積及預充壓力等工作原理及性能參數。搭建基于AMESim的液壓差動、液壓缸緩沖、蓄能器、溢流閥、換向閥、定量泵等元件構成的模型仿真回路。研究液壓缸緩沖、蓄能器主要結構性能參數對插草液壓回路動態特性的影響，以期為同類液壓系統回路設計提供借鑒。

2 固沙車插草液壓回路組成及工作原理

該插草液壓回路簡圖主要由液壓油箱、定量泵、溢流閥、蓄能器、二位三通電磁換向閥、雙作用液壓缸、、二位二通電磁換向閥、二位二通電磁卸荷閥、帶背壓冷卻器、帶背壓回油過濾器等液壓元件組成，如圖1所示。液壓回路具有液壓缸大腔緩沖、蓄能器吸收沖擊振蕩、系統過載保護、液壓油冷卻及回油過濾等功能。

圖1 插草液壓回路原理圖

當DT1、DT2、DT3、DT4都不得電時，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經二位二通電磁卸荷閥右位后再經冷卻器及回油過濾器回液壓油箱，定量泵處于低壓等待工作狀態，雙作用液壓缸不工作。

當DT1、DT2、DT4得電，DT3不得電時，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經二位三通電磁換向閥左位進入雙作用液壓缸大腔。同時，雙作用液壓缸小腔液壓油經二位三通電磁換向閥右位后與定量泵出油口合流進入雙作用液壓缸大腔，形成液壓差動回路，提高雙作用液壓缸下行速度。

當DT1得電，DT2、DT3、DT4不得電時，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經二位三通電磁換向閥右位進入雙作用液壓缸小腔，雙作用液壓缸大腔液壓油經二位三通電磁換向閥右位及二位二通電磁換向閥右位后，再經冷卻器及回油過濾器回液壓油箱。雙作用液壓缸大腔兩路同時回油可增加回油通流量。

液壓缸末端緩沖作為插草液壓回路的主要輔助功能，其緩沖閥體結構和開口大小對液壓缸行程末端緩沖壓力沖擊有一定影響。通過優化緩沖結構及緩沖節流開口大小可有效改善壓力沖擊。

蓄能器作為插草液壓回路中的主要輔助元件，其自身的容積、預充壓力對液壓缸隨壓刀插入地面瞬間負載劇烈變化引起的壓力沖擊有一定緩沖作用。蓄能器容積選擇恰當可以有效地減小沖擊壓力峰值，過小的容積緩沖效果不明顯，過大的容積會導致響應變慢，同時也造成經濟上的浪費。蓄能器作為液壓緩沖器時，預充壓力一般為系統壓力的0.7~0.9倍。過小的預充壓力吸收壓力沖擊效果差，過大的預充壓力可能導致沖擊壓力振蕩頻率增加，同時也增加了蓄能器的制造成本。

3 液壓回路仿真模型搭建

根據液壓缸、蓄能器結構特性和插草液壓回路原理，利用AMESim建立某型號固沙車插草液壓回路工作狀態仿真模型，圖2所示為液壓缸大腔帶緩沖的液壓回路仿真模型。油源流量定義為40 L/min，溢流閥的調定壓力為20 MPa，插草液壓缸行程0.3 m，缸徑為0.04 m，桿徑為0.028 m，液壓缸大腔緩沖機構利用AMESim中信號庫及液壓庫相關元件模型搭建。AMESim模型搭建時省略其真實液壓原理中的卸荷電磁閥、冷卻器及回油過濾器等對仿真分析結果不產生主要影響的元件。

圖2 插草液壓回路仿真模型

4 仿真結果分析

4.1 緩沖節流孔徑對壓力波動的影響

根據插草液壓缸工作特點可知，其插草液壓缸活塞在快速上行至末端會對液壓缸缸底產生沖擊?，F以插草液壓缸上行的動態過程為研究對象，仿真分析其主要元件結構參數對液壓缸大腔壓力波動的影響。設定仿真時間為2 s，仿真步長為0.01 s，0.5 s后開始向液壓缸小腔供油，大腔液壓油回油箱，插草機構上升過程為主要分析研究對象[2]。

圖3為不同緩沖節流孔徑對插草液壓缸在相同緩沖行程和負載作用下的仿真結果。圖中分別給出了節流孔徑分別取0.6 mm、0.9 mm、1.2 mm，時液壓缸大腔壓力波動的相應曲線。由圖可知：節流孔徑為0.6 mm時，大腔壓力在形成緩沖過程中波動較強，且形成高壓時間較長，導致插草液壓缸上行過程穩定性較差，緩沖時間相對較長；節流孔徑為0.9 mm時，壓力波動幅度相對0.6 mm的孔徑明顯降低，插草液壓缸上行緩沖段穩定性相比0.6 mm的孔徑有所提高，且大腔壓力在緩沖形成后0.6 s迅速下降至0，相比0.6 mm孔徑緩沖時間明顯減少；節流孔徑為1.2 mm時，壓力波動幅度及壓力值相對0.6 mm、0.9 mm的孔徑更低，插草液壓缸上行緩沖段穩定性更加提高，但大腔壓力在緩沖形成后0.35 s迅速下降至0，緩沖時間更短，緩沖段壓力及時間的減小會導致對液壓缸缸底沖擊增大的現象。

圖3 節流孔徑對壓力波動的影響

4.2 蓄能器容積對壓力波動的影響

針對插草液壓缸工作特點，其插草液壓缸活塞在差動快速下行過程中，其下行速度達到1.08 m/s，活塞高速度運動會產生壓力沖擊現象?，F以插草液壓缸下行的動態過程為研究對象，仿真分析其液壓缸大腔壓力波動的影響。設定仿真時間為2 s，仿真步長為0.01 s，0.5 s后開始向液壓缸大腔供油，差動動作。

圖4為無蓄能器及不同蓄能器容積對插草液壓缸在相同預充壓力和負載作用下的仿真結果。圖中分別給出了無蓄能器、蓄能器容積0.1 L、0.15 L、0.2 L時液壓缸大腔壓力波動的相應曲線。由圖4可知：無蓄能器時，大腔沖擊壓力峰值高達34 MPa，遠高于液壓缸額定工作壓力25 MPa，對液壓缸造成損壞的可能性很大；蓄能器容積0.1 L時，沖擊壓力峰值25.5 MPa，基本等于液壓缸額定工作壓力，不會對液壓缸造成損壞；蓄能器容積0.15 L時，沖擊壓力峰值23 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，滿足要求；蓄能器容積0.2 L時，沖擊壓力峰值22 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，相比0.15 L時峰值壓力降低不明顯，但容積的增大使蓄能器吸收沖擊響應變慢[2]。

圖4 蓄能器容積對壓力波動的影響

4.3 蓄能器預充壓力對壓力波動的影響

仿真特性及參數設置同4.2節要求，圖5為不同蓄能器預充壓力對插草液壓缸在相同容積和負載作用下的仿真結果。圖中分別給出了蓄能器預充壓力5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa時液壓缸大腔壓力波動的相應曲線。由圖5可知：蓄能器預充壓力5 MPa時，大腔沖擊壓力峰值高達37 MPa，遠高于液壓缸額定工作壓力25 MPa，對液壓缸造成損壞的可能性很大；蓄能器預充壓力10 MPa時，沖擊壓力峰值26 MPa，稍大于液壓缸額定工作壓力，一般不會對液壓缸造成損壞；蓄能器預充壓力15 MPa時，沖擊壓力峰值24 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，滿足要求；蓄能器預充壓力20 MPa時，沖擊壓力峰值23.5 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，相比15 MPa時峰值壓力降低不明顯，但預充壓力的增大使蓄能器吸收沖擊的響應變快[3]。

5 結語

通過建立固沙車插草液壓回路的AMESim仿真模型，對壓刀上行、下行過程進行動態特性分析，得出如下結論：

圖5 蓄能器預充壓力對壓力波動的影響

a. 對于快速動作的液壓缸，緩沖節流孔徑阻尼能有效消弱液壓缸活塞對缸底沖擊，有利于液壓回路的穩定及避免沖擊產生的噪音現象。但是過小的節流孔徑會使緩沖段背壓過高及緩沖時間長，使緩沖段局部液壓油溫升高，影響液壓缸活塞密封及導致液壓回路能耗變高。另外，較大的節流孔雖然能降低緩沖段背壓，但緩沖時間也隨之減少，增大了液壓沖擊的可能性。因此，緩沖節流孔徑的選擇設計要兼顧沖擊造成的穩定性、噪音大小、緩沖時間要求等問題。結合仿真分析結果，本系統液壓缸緩沖節流閥通徑宜選用0.9 mm。

b. 對于快速動作的液壓缸，蓄能器容積大，沖擊小，但響應時間慢，設計成本高；蓄能器容積小，沖擊大，但響應時間快。在設計防沖擊液壓回路時需根據實際工況要求綜合考慮設計。結合仿真分析結果，本系統蓄能器容積宜選用0.15 L。

c. 對于快速動作的液壓缸，蓄能器預充壓力大，沖擊小，響應時間快；蓄能器預充壓力小，沖擊大，響應時間慢，但過高的預充壓力增加了設計成本。在設計防沖擊液壓回路時需根據實際工況要求綜合考慮設計。結合仿真分析結果，本系統蓄能器預充壓力宜設定為15 MPa。