負載敏感變量泵的動態特性研究

王瑜

摘?要：本文根據負載敏感變量泵的工作原理分析其動態特性的影響因素，利用AMESim建立了負載敏感液壓系統的模型，進行仿真研究。研究表明，負載敏感閥的彈簧剛度、閥芯直徑和變量活塞的彈簧剛度、閥芯直徑對負載敏感變量泵的動態響應起著重要作用。對理解、使用和設計負載敏感泵都有一定的參考價值。

關鍵詞：液壓技術;負載敏感技術;負載敏感變量泵系統;AMESim仿真

液壓傳動具有無級變速、傳動環節少、操作簡單、對外界載荷適應能力強和易于實現自動化控制等優點，被廣泛地應用。但液壓傳動能量損失大，效率低，是其系統的一大缺陷。[1]

為了解決此問題，人們提出許多解決方法，負載敏感技術就是其中之一。負載敏感技術是指系統能夠按照負載的需求來控制泵輸出壓力與流量，使液壓系統效率提高，增加其使用壽命。[2]負載敏感技術有閥控與泵控兩種，泵控負載敏感系統主要依靠負載敏感變量泵完成相應工作，本文主要分析該泵的工作原理與動態特性的影響因素。

1 負載敏感變量泵工作原理

負載敏感變量泵的工作原理如圖1所示，由變量泵、負載敏感閥、恒壓閥和變量活塞等組成。負載敏感變量泵根據負載所需的壓力?P?L?調節恒壓閥與負載敏感閥的閥芯的位移，使變量活塞受力發生變化，進而改變泵的排量，實現泵的輸出壓力?P?P?、輸出流量與負載的壓力?P?L?、流量相匹配。

負載敏感變量泵中的恒壓閥2控制優先級高于負載敏感閥1的控制優先級。負載敏感變量泵有三種狀態：待機狀態、正常工作狀態和過載狀態。

（1）待機狀態，節流閥5處于關閉狀態。負載敏感閥1和恒壓閥2的閥芯在彈簧作用下處于左位，變量泵4的出口壓力油進入變量活塞3的兩腔，推動變量活塞3，從而減小泵斜盤傾角，使得泵的排量減小到最小值，泵出口壓力?P?P?降到與負載敏感閥1中調整彈簧預緊力相等的值。變量泵輸出一定的流量，用于補償泵自身的內泄漏。

（2）正常工作時。啟動負載敏感變量泵，變量泵4提供壓力?P?P?小于負載所需壓力?P?L?，負載敏感閥1的閥芯右移，閥口開度逐漸增大，變量活塞3右側的油液流回油箱，變量泵4的斜盤傾角變大，從而排量增大。

當泵完全啟動后，泵的出口壓力及流量會隨著負載的變化而變化。負載?P?L?穩定時，負載敏感閥1受力平衡時，方程為：

式中：A——負載敏感閥的彈簧腔壓力油作用面積，?F??s?——彈簧預緊力。

當?P?L?減小，?Δ?P>F??s?/A?，負載敏感閥1的彈簧作用力產生的壓力大于負載壓力，從而推動負載敏感閥1的閥芯向左移動，閥口開度減小，變量活塞3右側流回油箱的油液減少，壓力逐漸增大，從而使斜盤傾角減小，泵出口壓力與排量減小，直到負載所需求的壓力。當?P?L?增大，與上訴過程相反，泵出口壓力與排量增大。

（3）過載狀態。當負載過大時，負載敏感閥1無法開啟，恒壓閥2發揮作用。恒壓閥2閥芯向左運動，油液通過恒壓閥2的左位進入變量缸3的右側，使泵的流量減小到僅能維持系統的壓力。

工程機械的負載多變，這就要求負載敏感系統動態響應時穩定性強、響應速度快和響應準確。負載敏感變量泵是負載敏感系統中的一個重要部分，其動態特性關系到整個系統的性能。經上述分析可知，泵出口壓力與流量的大小主要由斜盤傾角控制，斜盤傾角的變化直接由變量活塞控制，間接的由負載敏感閥和恒壓閥的閥芯位置控制。但恒壓閥僅在過載狀態下工作，對負載敏感變量泵的正常工作的響應無影響，所以僅需考慮負載敏感閥與變量活塞相關因素對負載敏感變量泵動態特性的影響。

根據公式（1）和（2），負載敏感閥的彈簧預緊力決定泵出口壓力與負載壓力的差值，本文在確定其壓差值后，不予考慮負載敏感彈簧閥的預緊力這一因素。那么，可考慮因素有負載敏感閥與變量活塞的結構參數，負載敏感閥彈簧剛度及其閥芯面積，變量活塞彈簧剛度與其直徑。下面將利用負載變量泵的模型研究這些參數對其動態特性的影響。

2 負載敏感變量泵的AMESim建模

基于AMESim中液壓元件設計庫（HCD庫）搭建負載敏感系統，[3]仿真模型如圖2所示。定量泵的排量為30mL/r，發動機轉速為1900r/min，節流閥的閥芯開口為8mm，負載敏感閥的彈簧預緊力為90.5N，壓力油作用面積為50.3mm?2?，用壓力信號模型

6模擬負載。仿真時間設定為2s，液壓管路損失不計。

3 系統仿真分析

本文的仿真分析主要研究各元件結構參數對負載敏感變量泵動態響應的影響，因此，在仿真時，主要對其正常工作狀態研究即可。負載敏感變量泵的動態特性可通過其泵出口壓力與流量反映，因為負載所需的流量對泵出口壓力具有干擾，且泵斜盤角度直接影響出口流量，流量的大小直接影響執行元件的動作，因此本文主要通過觀測泵的出口流量進行研究分析。給模擬負載系統6一個方波信號，分析各影響因素對負載敏感變量泵響應特性的影響，仿真結果如下。

當負載敏感閥的彈簧剛度不同時，可以得到圖3所示的一組泵的出口流量響應曲線。圖3中從1到3，彈簧剛度依次是5N/mm、10N/mm、15N/mm。由圖3中可以看出，隨著彈簧剛度的增大，系統的響應稍慢，但超調量逐漸變小。

當負載敏感閥閥芯面積不同時，對泵輸出動態特性的影響如圖4所示，圖中1到3閥芯直徑依次是6mm、8mm、10mm。由圖4可知，隨著閥芯直徑的增加，系統的響應時間有所增加，超調量增大，穩態誤差也有所增加。

變量活塞彈簧剛度不同時，得到圖5所示的一組泵輸出流量響應曲線。圖5中從1到3，彈簧剛度依次是25N/mm、30N/mm、35N/mm。由圖5可以看出，隨著彈簧剛度的增大，泵的響應時間越來越長，泵的出口流量相應減小，但振蕩次數減少，穩態誤差減小，因此變量活塞彈簧剛度對泵的響應特性影響較大。

當變量活塞閥芯作用面積不同時，可以得到圖6所示的一組泵的出口流量響應曲線。圖6中從1到3，油缸閥芯直徑依次是6mm、8mm、10mm。由圖6中可以看出，隨著閥芯直徑的增大，泵的響應時間無變化，超調量減小，振蕩次數減少，因此變量活塞閥芯作用面積盡可能大些。

4 結論

本文根據負載敏感變量泵的原理，分析出負載敏感泵響應特性的影響因素，建立負載敏感變量泵的AMESim模型，仿真出各因素對響應特性的具體影響。

（1）負載敏感閥彈簧剛度越大，系統的響應變慢，超調量減小。

（2）負載敏感閥閥芯直徑越大系統的響應越慢，超調量越大，穩態誤差也有所增加。

（3）變量活塞的彈簧剛度增大，泵的響應時間越長，泵的出口流量相應減小，但振蕩次數減少，穩態誤差減小，選擇合適的彈簧剛度很重要。

（4）變量活塞的閥芯直徑隨著越大，泵的響應時間不變，超調量減小，振蕩次數減少，因此變量活塞閥芯作用面積盡可能大些。

參考文獻：

[1]張奕.液壓傳動與氣壓傳動[M].北京：電子工業出版社，2011.1.

[2]黃新年，張長生，陳忠強.負載敏感技術在液壓系統中的應用[J].流體傳動與控制，2007.9：28-30.

[3]付永領，祁曉野.LMS Imagine Lab AMESim系統建模和仿真參考手冊[M].北京航空航天大學出版社，2011.