基于AMESim拖拉機負載敏感液壓提升系統研究

張振華，李瑞川,2，楊俊茹，徐繼康,4，劉延俊

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590；2. 山東五征集團有限公司，山東 日照 276800；3.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；4.日照海卓液壓有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

作為田間耕作的重要一部分，農用拖拉機工作效率對田間耕作的收益有著重要影響，因此提高農用拖拉機的整體性能十分必要的[1]。相應地，液壓系統作為大型拖拉機重要組成部分之一，其性能直接影響拖拉機整體性能[2]。在能源消耗日益增大的今天，對于大型行走機械的利用，既要保證工作效率，也要兼顧節能[3]。現在一些高端的大型拖拉機后懸掛液壓提升系統已經采用了負載敏感技術，具有出色的節能性[4]。另外，AMESim為流體、機械等工程系統提供了一個完善的仿真系統，且界面友好易操作[5]。

我國對大型拖拉機液壓提升系統的研究仍處于起步階段，且目前的一些研究大多數是理論研究，并未形成實用化的成果[6-8]。為此，對大型拖拉機負載敏感后懸掛液壓提升系統進行了建模及仿真分析，使模型能夠真實模擬拖拉機液壓提升系統在實際中的應用，同時驗證負載敏感系統的節能性。

1 犁深控制閥建模仿真分析

1.1 犁深控制閥系統結構及原理

大型拖拉機后懸掛液壓犁深控制閥原理如圖1所示。圖1中，當提升控制閥2通電時，從變量泵流出的壓力油經P口進入犁深控制閥，流經壓力補償閥、提升閥、單向閥到油口A，油口A為犁深控制閥的出油口，和提升缸的無桿腔連接；當下降控制閥通電時，下降控制閥打開，液壓缸中的液壓油受耕犁及其后懸掛的重力作用，經下降控制閥流回油箱。

1.三通壓力補償器 2.提升控制閥 3.單向閥 4.下降控制閥 5.單向節流閥 6.溢流閥 7.梭閥

1.2 提升控制閥仿真模型建立及分析

在大型拖拉機犁深控制閥中，提升閥和下降閥均由先導閥和主閥兩部分構成，實質上是兩位兩通的插裝式換向閥[9]。提升控制閥結構如圖2所示。

利用AMESim的HCD模塊對比例提升閥建立仿真模型，進油口接恒壓源，大小為20MPa，出油口接油箱，如圖3所示。電信號由力信號轉換器來模擬，根據輸入控制信號的大小輸出相應大小的力，來克服彈簧預緊力，使先導閥芯運動。

1.閥體 2.先導閥芯 3.比例電磁鐵 4.主閥芯 5.彈簧

圖3 比例提升閥HCD模型

比例提升閥出口流量曲線如圖4所示。圖4中，在3.6s時，閥芯克服彈簧力發生位移，主閥芯打開，比例提升閥工作，油液通過，曲線和提升閥實際工作情況一致。

圖4 比例提升閥出口流量曲線

1.3 三通壓力補償閥仿真模型建立及分析

圖5為三通壓力補償閥結構。其主要作用是補償提升閥的前后壓力差，使液壓缸活塞上升過程中進入液壓缸的流量保持穩定，且液壓缸活塞提升速度不因負載的變化而發生速度波動。利用AMESim中HCD模塊(見圖6)對三通壓力補償器進行建模，并用一個20MPa的恒壓源和一個額定壓力為30MPa的比例溢流閥測試三通壓力補償閥。節流閥壓差設定為2MPa，進行運行仿真。

圖5 三通壓力補償結構

圖6 三通壓力補償器HCD模型

節流閥前后壓差圖如圖7所示。

圖7 節流閥前后壓差圖

圖7中，節流閥前后壓差恒為2MPa，所以可以保證液壓缸活塞上升過程中速度的穩定性，由此驗證了三通壓力補償閥的模型的正確性。

2 負載敏感變量柱塞泵建模分析

2.1 負載敏感變量柱塞泵結構及原理

負載敏感技術是一種新型的帶有壓力反饋的閉環控制方法。液壓系統能將負載所需壓力通過壓力反饋回路使壓力油進入敏感控制閥和變量泵控制機構的敏感腔，進而使變量泵的排量發生變化，使泵出口的壓力參量隨負載壓力變化而改變，并向系統提供負載所需的液壓功率，可以降低功耗[10]。

負載敏感系統原理圖如圖8所示。圖8中，P口為系統工作供油口，LS口為負載壓力反饋油口，負載壓力為PL,泵出口壓力為Pp，通過調節節流閥開口大小來為負載提供流量。無工作狀態下，LS閥的受力平衡方程為

(PP-PL)A=FS

式中PP—變量泵出口壓力；

PL—負載壓力；

A—LS閥的閥芯面積；

FS—閥芯的作用力。

1.變量泵 2.彈簧腔 3.變量缸敏感腔 4.LS閥 5.壓力切斷閥 6.可變節流閥

當節流閥開口面積增大(即負載的需求增大)時，泵的輸出流量小于負載需要的流量，可變節流閥兩側的壓差ΔP=PP-PL減小，即(PP-PL)A≤FS，LS閥芯左移，系統壓力仍然達不到壓力切斷閥的壓力；切斷壓力閥位于左位工作狀態，變量缸閥芯右端與油箱相通，斜盤上產生轉矩差，使變量斜盤角增大，泵的流量增大，直到滿足負載所需流量。相反情況下，斜盤角減小，泵流量減小。當系統壓力過大時，壓力切斷閥閥芯右移，壓力油進入無桿腔，變量泵排量減小，直至滿足要求。

2.2 負載敏感變量柱塞泵建模建立及分析

利用AMESim軟件的HCD模塊對負載敏感變量柱塞泵進行建模，如圖9所示。為了驗證模型建立的正確性及實現后續的仿真研究和動態性能分析，在AMESim中用一個用施加外部信號的比例溢流閥來測試負載敏感回路。設定變量泵排量為75mL/r,轉速為 2 000r/min，壓力切斷閥設定壓力為30MPa。節流口半開，比例溢流閥信號設置兩組數據，分別設定為0～5s內恒定值100mA和0～5s內從0mA升到最大值200mA,仿真得到兩種狀態下泵出口流量曲線和負載和泵出口壓力曲線，如圖10、圖11所示。

圖9 負載敏感變量柱塞泵

圖10 泵出口流量曲線

圖11 負載和泵壓力曲線

由圖10、圖11可得出結論：當負載壓力不變或者增大時，泵輸出流量基本穩定；當超過壓力切斷閥設定壓力時，泵輸出流量減小到幾乎為零；在變量泵穩定工作時，泵出口壓力與負載壓力保持恒定的壓差。根據曲線可知，AMESim仿真結果和變量泵實際工作情況基本一致。

3 仿真模型建立及分析

根據大型拖拉機后懸掛液壓系統原理，利用AMESim可將犁深控制閥主要組成部分進行搭建連接，建立拖拉機后懸掛液壓系統仿真模型，如圖 12所示。質量塊M表示后懸掛總質量，在質量塊上施加一個外力信號，代表土壤阻力。設置仿真時間為10s，分別在2s和5s時給比例提升閥和比例下降閥施加信號。在仿真過程中，給液壓缸施加一個隨機的力信號來模擬真實情況下的土壤阻力。運行仿真結果如圖13～圖15所示。

圖12 拖拉機后懸掛液壓提升系統HCD模型

圖13 系統流量曲線

圖14 系統壓力曲線

圖15 懸架提升位移曲線

由圖13～圖15可以看出：當提升控制閥打開時，在經過1個短暫的延遲后，變量柱塞泵出口流量迅速增大，系統壓力隨之增大，液壓缸活塞向上運行；當下降控制閥通電打開時，提升控制閥關閉，液壓缸活塞受重力作用下降，系統壓力減小。另外，雖然受土壤阻力影響，但液壓缸活塞在運行過程中，速度保持穩定。在提升控制閥關閉的時候，負載敏感系統LS閥中(PP-PL)A>FS, LS閥芯右移，壓力油進入負載敏感泵無桿腔，使變量泵排量迅速減小至僅維持泄露，從而實現節能。

4 結論

通過對大型拖拉機后懸掛液壓系統的研究，利用AMESim中的HCD模塊對大型拖拉機后懸掛犁深控制閥和負載敏感系統進行了仿真分析，對后懸掛液壓提升的工作過程進行了模擬，結果表明：當大型拖拉機后懸掛應用負載敏感系統時，可以減小能源的浪費；當工作系統的負載需求改變時，通過負載敏感泵可以順利地完成調節工作，節約了人力。仿真結果符合實際情況下拖拉機工作狀態，為后續基于AMESim/Simulink力位綜合控制耕深研究提供了仿真模型。