基于AM ESim的液壓回油節(jié)流調(diào)速回路建模與仿真
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劉 偉1，趙錟鴻2
（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083)
摘要：介紹了節(jié)流調(diào)速回路的工作原理，并對(duì)其特性進(jìn)行理論分析，利用AMESim仿真軟件對(duì)回油節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行建模和仿真，獲得回油節(jié)流調(diào)速回路的基本特性，從而為回油節(jié)流調(diào)速回路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。
關(guān)鍵詞：回油節(jié)流調(diào)速回路；AMESim；模型；仿真中圖分類號(hào)：TP391.7：TH137
1節(jié)流調(diào)速回路工作原理
現(xiàn)代液壓傳動(dòng)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，但都是由一些基本回路組成。在一切液壓系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)功率傳遞的調(diào)速回路占有重要地位，調(diào)速回路按其調(diào)速方式的不同分為節(jié)流調(diào)速回路、容積調(diào)速回路和容積節(jié)流調(diào)速回路3類。
當(dāng)液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，且泵的轉(zhuǎn)速基本不變時(shí)，泵輸出的流量基本不變，其與負(fù)載的變化以及速度的調(diào)節(jié)無(wú)關(guān)。要想改變輸入液壓執(zhí)行元件的流量，就必須在泵的出口處并接一條裝有溢流閥的支路，將液壓執(zhí)行元件工作時(shí)的多余流量經(jīng)過(guò)溢流閥或流量閥流回油箱，這種調(diào)速方式稱為節(jié)流調(diào)速回路。它主要由定量泵、執(zhí)行元件、流量控制閥（節(jié)流閥、調(diào)速閥等）和溢流閥等組成，其中流量控制閥起流量調(diào)節(jié)作用，溢流閥起調(diào)定壓力（溢流時(shí)）或過(guò)載安全保護(hù)作用。
回油節(jié)流調(diào)速回路的工作原理就是通過(guò)改變回路中的流量控制閥通流面積的大小來(lái)控制流量，以調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。在執(zhí)行元件的回油路上串接一個(gè)流量閥，即構(gòu)成回油節(jié)流調(diào)速回路。液壓泵輸出的流量，一部分進(jìn)入液壓缸無(wú)桿腔，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過(guò)節(jié)流閥流回油箱；另一部分的油液經(jīng)溢流閥流回油箱。溢流閥溢流是這種調(diào)速回路能夠正常工作的必要條件。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流面積，即可調(diào)節(jié)通過(guò)節(jié)流閥的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度。
2回油節(jié)流調(diào)速回路的理論分析
回油節(jié)流調(diào)速回路中執(zhí)行元件工作速度與負(fù)載之間的關(guān)系稱為速度一負(fù)載特性�；赜凸�(jié)流調(diào)速回路如圖1所示，q p為泵出口流量，pp為供油壓力，△q為溢流閥流量，q1為進(jìn)油腔流量，p1為進(jìn)油腔壓力，p2為回油腔壓力，q2為回油腔流量，AT為節(jié)流閥通流截面積，△pr為節(jié)流閥處工作壓差，p3為節(jié)流閥出口壓力，F(xiàn)為液壓缸上的外負(fù)載。當(dāng)不考慮回路中各處摩擦力作用和管路的壓力損失時(shí)，活塞工作的速度、活塞受力方程和回油路上的流量連續(xù)方程分別為：
其中：v為活塞運(yùn)動(dòng)速度；A1為進(jìn)油腔有效面積；A2為回油腔有效面積；C為節(jié)流閥的系數(shù)；妒為節(jié)流閥的指數(shù)。
由式(1)～式(3)可得：
式(4)表明：液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度受到節(jié)流閥通流截面積A T和負(fù)載F的影響。
活塞運(yùn)動(dòng)速度受負(fù)載影響的程度可以用回路速度剛性來(lái)評(píng)定，速度剛性k v是回路對(duì)負(fù)載變化抗衡能力的一種說(shuō)明，其定義為速度一負(fù)載曲線上一點(diǎn)處切線斜率的負(fù)倒數(shù)：
其中：a為速度一負(fù)載特性曲線上一點(diǎn)處切線與橫坐標(biāo)軸正方向夾角。
壓力式回油節(jié)流調(diào)速回路的速度剛性可由式(4)和式(5)求得：
由式(6)看到：當(dāng)節(jié)流閥通流面積不變時(shí)，負(fù)載越小，速度剛性越高；當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，節(jié)流閥通流面積越小，速度剛性越高。
回油節(jié)流調(diào)速回路輸出功率P的計(jì)算公式為：
由式(9)可知，回油節(jié)流調(diào)速回路的輸出功率受節(jié)流閥通流截面積和負(fù)載等影響。
3 回油節(jié)流調(diào)速回路的AMESim建模仿真及結(jié)果分析
3.1 模型的建立
進(jìn)入AMESim環(huán)境，在Sketch模式下，調(diào)用系統(tǒng)所提供的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)和信號(hào)庫(kù)建立如圖2所示的系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模型主要由電機(jī)、定量泵、溢流閥、單作用液壓缸、節(jié)流閥、質(zhì)量塊和信號(hào)源等構(gòu)成。在Submodel模式下，為每個(gè)元件選擇默認(rèn)首選子模型。
3.2 仿真參數(shù)的設(shè)置
點(diǎn)擊Parameter mode按鈕進(jìn)入?yún)?shù)模式，對(duì)仿真模型中每個(gè)元件設(shè)置所需要的參數(shù)。元件參數(shù)設(shè)置如表1所示。
3.3仿真分析
點(diǎn)擊Simulation mode按鈕進(jìn)行仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，通信間隔為0.05 s。得出如下仿真結(jié)果：
(1)當(dāng)設(shè)置節(jié)流閥等效孔徑分別為Φ1 mm、Φ1.5 mm、<Φ2 mm時(shí)，節(jié)流閥通流截面積分別為AT1、AT2、AT3，得到速度一負(fù)載特性曲線如圖3所示。在其他條件不變的情況下，當(dāng)負(fù)載壓力一定時(shí)，開(kāi)口AT越大，液壓缸運(yùn)動(dòng)速度越大；當(dāng)節(jié)流閥通流面積一定時(shí)，負(fù)載壓力增大，液壓缸運(yùn)動(dòng)速度減��；負(fù)載壓力有最大值限制，符合理論分析，即其值要小于等于pPA1。
(2)在其他條件不變的情況下，當(dāng)設(shè)置節(jié)流閥等效直徑分別為<Φ1mm、<Φ1.5 mm、Φ2 mm時(shí)，相應(yīng)節(jié)流閥通流截面積分別為AT1、AT2、AT3，得到不同節(jié)流閥面積時(shí)的速度剛性與負(fù)載的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖4分析可知：當(dāng)節(jié)流閥通流面積AT為定值時(shí)，負(fù)載F越大，系統(tǒng)速度剛度k v越��；反之，若F越小，則k v越大。當(dāng)負(fù)載F為定值時(shí)，節(jié)流閥通流截面積越大，則系統(tǒng)速度剛度k v就越小；反之，節(jié)流閥通流截面積越小，則k v越大。
(3)在其他條件不變時(shí)，設(shè)置節(jié)流閥等效孔徑分別為Φ1 mm、<Φ1.5 mm、Φ2 mm，則相應(yīng)節(jié)流閥通流截面積分別為AT1、AT2、AT3，得到不同節(jié)流閥通流截面積的輸出功率與回油腔壓力的關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5分析可知：當(dāng)回油腔壓力P2 一定時(shí)，節(jié)流閥通
流截面積越大，輸出功率越大；反之，節(jié)流閥通流面積越小，則輸出功率越小。當(dāng)節(jié)流閥通流截面積一定時(shí)，輸出功率隨著回油腔壓力p2的變化先增大后減小，在P2≈6.7 M Pa時(shí)取得最大值。
4結(jié)論
(1)利用AMESim中的元件庫(kù)構(gòu)建了液壓節(jié)流調(diào)速回路中所有元件的仿真模型，應(yīng)用AMESim對(duì)液壓回油節(jié)流調(diào)速回路進(jìn)行的仿真研究可以直觀、方便地反映系統(tǒng)的工作特性。
(2)通過(guò)AMESim仿真分析，得出的各項(xiàng)特性與理論相符，為回油節(jié)流調(diào)速回路的理論分析與結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。
