負載敏感液壓系統沖擊特性仿真研究

賈江波，文艷格，顧海榮

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710064）

0 前言

負載敏感系統是一種通過感受工作負載需求，僅向系統提供所需流量和壓力的液壓回路，在工程機械領域得到廣泛應用。但在工程應用中發現系統存在主閥關閉過快而導致系統壓力沖擊的問題，造成密封裝置和管道壽命降低、性能下降，有時還會導致設備損壞。針對液壓系統壓力沖擊問題，李寧[1]等對液壓系統沖擊產生的原因進行了分析，建立了流體突然停止運動和運動部件突然制動時產生液壓沖擊的數學模型。趙燕[2]等通過仿真分析得出主泵排量的響應速度明顯滯后于主閥閥芯位移，導致主閥關閉過程中出現系統流量過剩，從而引起壓力沖擊。張軍[3]等通過試驗的方法對影響液壓系統沖擊特性的因素進行了定性分析，但未進行深入的定量分析。因此，本文在目前研究的基礎上，建立負載敏感液壓系統仿真模型，探究影響液壓系統沖擊的特性的因素并進行精確的定量分析，為削減系統沖擊提供一定的參考。

1 系統壓力沖擊分析

在負載敏感液壓系統工作過程中，系統通過主泵自動調節變量機構來實現系統流量壓力的實時控制，在主泵負載敏感閥的作用下，系統壓力與負載壓力的差值始終維持在設定壓差范圍，系統流量與負載所需流量自動匹配。當主閥快速關閉時，變量泵排量調節機構的響應速度滯后于主閥的關閉速度，主閥關閉的瞬間，主泵仍維持較大排量持續為系統供油，多余的流量在管路內聚集造成壓力沖擊[3]。主泵口到主閥之間的管路可視為一個動態封閉容腔，根據液壓壓力梯度公式可知，由于主閥關閉而產生的系統壓力沖擊增量[4]為：

其中，Ep為管路內油液的體積模量；VP為管路的有效體積，m3；t為主閥關閉時間，ms；ΔQP為單位時間流入與流出動態封閉容腔的流量差。

根據式（1）可知，系統沖擊與主閥關閉時間t和ΔQP有關，ΔQP與系統流量有關，而系統流量受控于主閥的開口大小和關閉時間。因此，可以得出系統流量、主閥關閉時間對系統沖擊產生影響，而負載壓力PL對系統沖擊不產生影響。

2AMESim模型

利用AMEsim軟件中HCD庫建立系統仿真模型對負載敏感系統沖擊特性進行分析[5-6]。

如圖1所示，仿真模型包括變量泵、負載敏感閥、壓力切斷閥、壓力補償閥、主閥和模擬加載閥。將主閥進行簡化處理，使用可變節流閥進行代替。其中主泵排量設置為28 mL/r，轉速2 000 r/min，安全溢流壓力20 MPa，仿真時間15 s，采樣間隔1 ms。

圖1 負載敏感液壓系統仿真模型

模擬主閥打開、保持和復位的一個工作循環，監測主泵出口處的系統壓力PS、系統流量Q、負載壓力PL、得到如圖2所示的曲線。

圖2 模型仿真曲線

可以看出，0～3 s內，主閥處于關閉狀態，Q幾乎為0，PL為0，PS為2.6 MPa，兩者差值為 2.6 MPa；t=3 s時，主閥打開并且維持開口不變，此時Q穩定為 30 L/min，PL上升到 4 MPa，PS穩定在 6.6 MPa，兩者差值為2.6 MPa；t=9 s時，主閥關閉，Q和PL回落到0，PS值先是瞬間升高到9.5 MPa后逐漸回落，出現明顯的沖擊現象，沖擊增量約為2.9 MPa，最終PS與PL差值恢復到2.6 MPa。仿真結果與負載敏感泵樣本的參數一致，驗證了模型的正確性。

3 仿真分析

通過負載敏感液壓系統模型和AMEsim批處理功能進行仿真分析。

3.1 系統流量對沖擊的影響

設定負載壓力為4 MPa，主閥關閉時間為50 ms，分別在系統流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min的條件下進行仿真，得到不同系統流量下的壓力沖擊曲線，如圖3所示。

圖3 不同系統流量下的壓力沖擊曲線

由圖3可知，在系統流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min條件下，系統壓力沖擊峰值分別達到了9.5 MPa、8.4 MPa、7.5 MPa，表明系統流量對系統壓力沖擊影響較大，隨著系統流量的增大，系統沖擊增大。

3.2 主閥關閉時間對沖擊的影響

設定系統流量QP=30 L/min，負載壓力為4 MPa，分別在主閥關閉時間為 50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms的條件下進行仿真。得到不同主閥關閉時間下的壓力沖擊曲線，如圖4所示。

圖4 不同主閥關閉時間下的壓力沖擊曲線

由圖4可知，主閥關閉時間為50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms時，系統壓力沖擊峰值分別達到了 9.5 MPa、7.9 MPa、7.3 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa、6.6 MPa，沖擊增量分別為 2.9 MPa、1.3 MPa、0.7 MPa、0.3 MPa、0.1 MPa、0 MPa，表明主閥關閉時間對系統壓力沖擊影響較大，隨著主閥關閉時間的延長，沖擊逐漸減小，當主閥關閉時間大于500 ms，沖擊幾乎消失。

3.3 負載壓力對沖擊的影響

設定系統流量QP=30 L/min，主閥關閉時間50 ms，分別在負載壓力為 4 MPa、6 MPa、8 MPa 的條件下進行仿真。得到不同負載壓力下系統壓力沖擊曲線，如圖5所示。

圖5 不同負載壓力下壓力沖擊曲線

由圖5可知，在負載壓力為4 MPa、6 MPa、8 MPa時，系統壓力沖擊峰值分別達到了13.2 MPa、11.3 MPa、9.5 MPa，沖擊增量分別為 2.6 MPa、2.7 MPa、2.9 MPa，沖擊增量基本接近，但存在一定的誤差，產生誤差的原因是隨著負載壓力增大，系統壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。

4 結論

針對負載敏感液壓系統中主閥關閉過快導致的壓力沖擊問題，建立了負載敏感系統壓力沖擊仿真模型，探究系統流量、主閥關閉時間、負載壓力等因素對系統壓力沖擊的影響。

（1）建立了負載敏感液壓系統AMESim模型，模擬系統工作過程，驗證了模型的正確性；

（2）通過模型仿真分析得出系統壓力沖擊與負載壓力無關，與系統流量、主閥關閉時間有關，系統流量越大，主閥關閉時間越短，系統壓力沖擊值越大。

（3）在不同負載壓力下，系統產生的壓力沖擊增量存在一定的誤差，產生誤差的原因是隨著負載壓力增大，系統壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。