容積節(jié)流調(diào)速回路AMESim仿真研究

唐梅，陶柳

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

節(jié)流調(diào)速回路結(jié)構(gòu)簡單，使用維護方便，但因定量液壓泵的輸出流量總是大于執(zhí)行元件負載所需的流量，多余的流量要在系統(tǒng)工作壓力之下，經(jīng)溢流閥(串聯(lián)節(jié)流調(diào)速)或流量閥(并聯(lián)節(jié)流調(diào)速)流回油箱，所以總是不可避免地存在著節(jié)流損失和溢流損失。因其功率損耗大，回路效率低，發(fā)熱量大，只適用于小功率調(diào)速系統(tǒng)。

容積調(diào)速回路雖然具有效率高、發(fā)熱量少的優(yōu)點，但也不同程度地具有與節(jié)流調(diào)速回路相類似的缺點，即執(zhí)行元件的速度隨負載的變化而改變。針對速度穩(wěn)定性要求較高的液壓系統(tǒng)，采用變量液壓泵同流量閥相配合，可以大大提高速度的穩(wěn)定性[1-2]。

容積節(jié)流調(diào)速回路利用流量閥配合變量液壓泵，來實現(xiàn)對執(zhí)行元件速度的調(diào)節(jié)。這種回路的特點是變量液壓泵的輸出流量能自動接受流量閥調(diào)節(jié)并與之吻合，無溢流損失，效率高，速度的穩(wěn)定性較好。因此該回路適用于負載變化較大，要求速度穩(wěn)定與高效率的場合。但研究發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)中元件的泄漏，特別是關(guān)鍵元件液壓缸的泄漏對系統(tǒng)速度穩(wěn)定性有一定的影響，尤其是在高負載液壓系統(tǒng)中[3-4]。

本文基于AMESim仿真軟件，建立了容積節(jié)流調(diào)速回路的仿真模型，仿真驗證了所建立模型的正確性，同時通過對液壓缸泄漏間隙大小的設(shè)定，定量分析了液壓缸泄漏對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 容積節(jié)流調(diào)速回路工作原理

圖1所示為容積節(jié)流調(diào)速回路。這種回路采用變量液壓泵1與調(diào)速閥2相配合，常用于機床的液壓系統(tǒng)。對于單活塞桿液壓缸，為了獲得更低的穩(wěn)定速度，將調(diào)速閥2安裝在無桿腔這側(cè)的進油路上，有桿腔的回油路上安裝背壓閥6。在液壓缸活塞快進時，二位二通閥3處于左位，調(diào)速閥2被短接，液壓泵1以最大流量給液壓缸供油。工進時，壓力繼電器5使二位二通閥3電磁鐵通電，液壓泵1輸出的壓力油須經(jīng)調(diào)速閥2進入液壓缸，工作速度由調(diào)速閥2來控制，調(diào)節(jié)調(diào)速閥2開口的大小，可改變進入液壓缸的流量，從而實現(xiàn)液壓缸工作速度的調(diào)節(jié)。若液壓泵1的輸出流量大于液壓缸負載所需的流量，由于回路中沒有溢流閥，多余的油液沒有出路，液壓泵1的出口壓力就會上升。由限壓式變量液壓泵工作原理可知，通過壓力反饋可使液壓泵1的流量自動減小，直至二者相等。如果液壓泵1的輸出流量小于液壓缸負載所需的流量，液壓泵1的出口壓力就會下降，通過壓力反饋又使液壓泵1的輸出流量自動增大，直至二者相等。所以液壓泵的輸出流量總是與液壓缸負載所需的流量相吻合。工進結(jié)束后，壓力繼電器5使二位二通閥3和二位四通閥4換向，調(diào)速閥2再次被短接，液壓缸活塞實現(xiàn)快退。

圖1 容積節(jié)流調(diào)速回路工作原理

2 AMESim仿真分析

2.1 模型建立

根據(jù)容積節(jié)流調(diào)速回路工作原理[5-6]，利用AMESim軟件搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 容積節(jié)流調(diào)速回路AMESim仿真模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

各子模塊的參數(shù)設(shè)計如表1所示，其他參數(shù)保持默認。

表1 參數(shù)設(shè)置表

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)已知條件，設(shè)定負載變化情況為：仿真時間0～5 s之間為500～1 000 N，此時回路處于快進階段；仿真時間5～10 s之間為2 000～20 000 N，此時容積調(diào)速回路處于工進階段；仿真時間10～15 s之間為500～1 000 N，此時容積調(diào)速回路處于快退階段。利用AMESim信號模塊，設(shè)定參數(shù)得到負載隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 負載力隨時間變化曲線圖

通過AMESim信號庫對系統(tǒng)壓力繼電器5進行建模及參數(shù)設(shè)置，圖4所示為控制仿真得出的兩位兩通輸入信號變化曲線及流量變化曲線。

圖4 兩位兩通輸入信號及流量變化曲線圖

從仿真結(jié)果看出，在仿真時間為0～5 s及10～20 s時，兩位兩通電磁換向閥處于左位工作，此時節(jié)流閥被短接，液壓泵1以最大流量q=75.99 L/min給液壓缸供油，實現(xiàn)快速進給。由液壓泵設(shè)定參數(shù)，以及計算可得理論流量為

q=V×n=800×95=76(L/min)

(1)

仿真得出值與理論值基本一致，說明了模型的正確性。

圖5為液壓缸速度變化曲線圖。從仿真結(jié)果可以看出，在仿真時間為0～5 s及10～20 s時液壓缸的速度絕對值都約為0.21 m/s；仿真時間為5～10 s時速度約為0.16 m/s。同時可以發(fā)現(xiàn)，在工進過程中，雖然外加負載由2 000 N增加到20 000 N，由于節(jié)流閥2和負載敏感泵相互補償作用，整個過程總液壓缸的速度基本保持恒定，不受負載變化的影響。

圖5 液壓缸速度、流量變化曲線圖

又由液壓缸速度公式

(2)

將仿真獲得的快進、工進流量75.9 L/min、55.9 L/min以及液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑100 mm、50 mm代入式(2)，計算可以得出仿真獲得的快進、快退的速度值基本一致，約為0.21 m/s，再一次驗證了模型的正確性。

下面通過改變液壓缸泄漏間隙值的大小：分別取值為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm，來仿真不同泄漏間隙值下液壓缸速度的大小。

圖6定量分析了泄漏量對閥芯速度大小及穩(wěn)定性的影響，改變BAF01模型參數(shù)，分別對泄漏模塊中直徑間隙取值為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm，定量分析泄漏量對閥芯速度的影響。

圖6 不同液壓缸泄漏間隙下速度曲線

仿真發(fā)現(xiàn)在泄漏間隙為0.1 mm時，活塞工進過程的速度基本恒定：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.165 m/s、0.160 m/s；泄漏間隙為0.3 mm時，活塞工進過程的速度基本恒定，但是整體速度有所降低：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.159 m/s、0.152 m/s；泄漏間隙為0.5 mm時，活塞工進過程的速度隨著負載增加而逐漸降低：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.157 m/s、0.128 m/s，降低幅值為0.029 m/s；當泄漏間隙為0.7 mm時，速度降低的幅值進一步增加到0.069 m/s。

由此得出隨著液壓缸泄漏間隙的增大，活塞的平均速度逐漸降低，并且隨著負載的增加，系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性逐漸降低。同時發(fā)現(xiàn)在泄漏間隙為0.5 mm時，系統(tǒng)換向時速度的沖擊最小，這也為容積節(jié)流調(diào)速回路結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供了一定的參考。

3 結(jié)語

本文基于AMESim建立了容積節(jié)流調(diào)速回路仿真模型，仿真研究了模型的正確性，同時分析研究了液壓缸泄漏對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

仿真得出隨著液壓缸泄漏間隙的增大，活塞的平均速度逐漸降低，并且隨著負載的增加，系統(tǒng)速度的穩(wěn)定性逐漸降低；同時發(fā)現(xiàn)在本工況下，泄漏間隙為0.5 mm時，系統(tǒng)換向時速度的沖擊最小。該結(jié)論為提高調(diào)速回路的精度提供了理論依據(jù)。