基于AMEsim液壓增速回路仿真分析

鄧均成，陶 柳，雷 雄，王 競

（四川工程職業技術學院交通工程系，四川 德陽618000）

0 引言

增速回路用來使執行元件獲得盡可能快的運動速度，縮短工作循環時間，以提高生產率和充分利用功率。該回路一般采用自重充油，增速液壓缸等來達到增速的目的，所以又稱為快速運動回路[1]。自重充油回路不需要增設輔助的動力源，結構簡單，但是在活塞下行時液壓缸上腔吸油不充分，容易導致增速不穩定，而增速液壓缸能很好的克服這一缺點，在實際生活中應用廣泛。

本文利用AMESim仿真軟件建立了增速液壓缸增速回路仿真模型[2]，對回路的增速特性進行了仿真分析，對相關參數進行了優化設計，為增速回路的精度提高提供了理論參考。

1 增速液壓缸增速原理

采用如圖1所示的利用增速液壓缸（又稱為快速活塞）的增速回路。活塞快速右行時，液壓泵只給增速液壓缸的小腔1供油，大腔2所需的液壓油經液控單向閥3通過油箱4來補充，由于小腔1的有效工作面積小，所以此時活塞快速右行。當負載增加時，系統壓力升高打開順序閥5，壓力油關閉液控單向閥3并進入大腔2，由于此時有效工作面積增大，活塞轉入慢進。回程時，壓力油打開液控單向閥3，大腔2的回油排回油箱4中，活塞實現快退。

圖1 增速液壓缸增速回路

2 仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根據液壓缸增速回路工作原理[3-5]，利用AMESim軟件搭建的回路仿真模型如圖2。

圖2 增速回路AMEsim仿真模型

利用AMESim軟件中BAP11（12）模塊模擬增速液壓缸的小腔1，BRP18模塊模擬增速液壓缸的大腔2；其余模塊模擬增速回路中的各種開關及閥體。

2.2 參數設置

根據增速回路工作原理及元件實際參數，設定各模塊參數如表1。

表1 參數設置表

其他子模型參數保持系統默認值。

2.3 仿真結果分析

圖3為增速液壓缸增速回路進程中液壓缸速度隨時間變化的曲線圖：在仿真區間1～5 s中，由于外加負載為零，此時順序閥處于關閉狀態，液壓泵泵出的油液經管道進入液壓小缸中，液壓缸以0.318 991 1 m/s的速度向右運行；在仿真時間為5 s時，外加負載為20 000 N的作用力由STEP0提供并加人液壓回路當中，此時順序閥入口處的壓力瞬間達到22.65 MPa，超過了其設定的開啟壓力10 MPa，順序閥打開。此時液壓泵泵出的壓力油進順序閥流經大液壓缸，由于液壓缸面積增大，液壓缸的速度減小，在本文中設定的參數下，液壓缸的速度最終穩定在0.255 155 5 m/s的速度下運動。這與理論推導得出基本一致，說明了仿真模型的正確性。

但在仿真結果圖中可以發現，在仿真時間為5 s時即剛剛加入外加負載之后，增速液壓缸的速度出現了震蕩：震蕩的最低值達到了-0.387 m/s，最高值達到了0.689 m/s，速度變化量絕對值達到1.076 m/s，且震蕩時間維持了將近1 s。這對于液壓系統來說，危害巨大，特別是對于高精度的液壓系統，尤為明顯。

圖3 增速液壓缸進程速度變化曲線

下面對系統進行優化，通過在增速液壓缸進油口處增加一個節流閥方法來減小液壓缸的震蕩幅度及震蕩時間。研究得到節流口優化參數，為增速液壓缸增速回路的設計提供參考依據，改進的仿真回路如圖4所示，在增速液壓缸進油口處增加一個節流閥。

圖4 改進的增速回路AMEsim仿真模型

如圖4改進的的增速缸增速回路中，采用節流模型OR0000來模擬回路中小液壓缸的進油口，通過子模型OR0000可以來設定不同的進油直徑大小，以獲得在不同參數工況下增速液壓缸的動態特性。

通過OR0000設定進油口的直徑為10 mm，獲得的增速液壓缸的速度變化曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結果可以發現，在小液壓缸直徑為10 mm下有：在仿真區間1～5 s中，液壓缸的運動速度為0.314 063 1 m/s；在仿真時間為5 s時，外加負載為20 000 N的作用力由STEP0提供并加人液壓回路當中，液壓缸的速度最終穩定在0.255 100 5 m/s。速度大小與原仿真模型獲得的液壓缸速度大小基本一致。

圖5 改進的增速缸速度隨時間變化曲線

但相對于原仿真模型，在仿真結果圖中可以發現，在仿真時間為5 s時即剛剛加入外加負載之后，增速液壓缸的速度現震蕩情況已經消失：只是在負載加入的瞬間，由于液壓泵的壓力油沒有及時補充至液壓缸，致使液壓缸的速度瞬間降低到0.102 35 m/s。但液壓系統在約為0.1 s的時間內恢復到了液壓缸的穩定速度值0.255 100 5 m/s。這比原仿真模型的1 s時間大大減少。

以上結論得出，適當的調節小液壓缸進油口出的直徑及長度可以減輕增速回路在速度變化瞬間速度的不穩定性，下面通過改變OR0000值的大小，對模型進行批處理仿真：分別取equivalent orifice diameter值為 9 mm、9.5 mm、10 mm、10.5 mm、11 mm，五組組數據來獲得在此工況下增速回路的最佳入口直徑的數值大小。

圖6（a）為直徑大小分別為9 mm、9.5 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結果圖可以發現，當小孔直徑由9 mm增加到9.5 mm時有：在仿真區間1～5 s中，液壓缸的運動速度由0.270 028 6 m/s增加到0.293 061 6 m/s；在仿真時間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩定在0.255 100 3 m/s、0.255 100 4m/s。在加入負載的瞬間，對于前者，液壓缸的速度震蕩劇烈，出現了時高時低的反復震蕩的情況。

圖6（b）為直徑大小分別為9.5 mm、10 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結果圖可以發現，當小孔直徑由9.5 mm增加到10 mm時有：在仿真區間1～5 s中，液壓缸的運動速度由0.293 061 6 m/s增加到0.314 061 3 m/s；在仿真時間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩定在0.255 100 4 m/s。在加入負載的瞬間，隨著小孔直徑增加，液壓缸的速度震蕩進一步降低。

圖6（c）為直徑大小分別為10 mm、10.5 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結果圖可以發現，當小孔直徑由10 mm增加到10.5 mm時有：在仿真區間1～5 s中，液壓缸的運動速度由0.314 061 3 m/s增加到0.318 991 1，這與原仿真模型中獲得的該階段的速度大小一致；在仿真時間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩定在0.255 170 4 m/s、0.255 166 8 m/s。在加入負載的瞬間，隨著小孔直徑增加，液壓缸的速度震蕩弧度進一步降低，但可以發現，隨著孔徑的進步增加，液壓缸達到穩定速度的時間略有增加。

圖6（d）為直徑大小分別為 10.5 mm、11 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結果圖可以發現，當小孔直徑由10 mm增加到10.5 mm時有：在仿真區間1～5 s中，兩者液壓缸運動速度都穩定在0.3 189 911 m/s，這與原仿真模型中獲得的該階段的速度大小一致；在仿真時間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩定在0.255 166 8 m/s 0.255 015 2 m/s。在加入負載的瞬間，隨著小孔直徑繼續增加，液壓缸的速度震蕩弧度反而開始增加。

通過對不同節流口直徑下液壓缸速度變化進行了仿真研究，得到了本設計工況下較優的節流口直徑值為10～10.5 mm，為增速回路的設計、結構參數的優化及元件選型有一定參考價值。

圖6 不同節流口直徑下液壓缸速度變化曲線

3 結束語

本文基于AMEsim建立了增速液壓缸回路仿真模型，分析了回路壓力、速度的穩定性，得到了其速度變化特性曲線；對模型進行優化設計，得出在本文工況下，進油口直徑在10～10.5 mm之間時，該增速回路能獲得較好的速度動態性能，為增速回路的精度及理論深度提高提供了理論依據。