基于AMESim的负荷传感液压同步系统仿真研究解读Word文档格式.docx
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TH137文献标识码:
B文章编号:
1008-0813（201103-0022-05
ResearchonLoad-sensingHydraulicSynchronousSystemBasedonAMESim
SHIHui-yu1LIUBo2
（CollegeofMechanismandElectronEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China
Abstract:
TheresearchisfortheproblemofpoorsynchronizationperformanceoftwocylindershydraulicSynchronizationsystemunderpartialloadsituation.Themethodofadjustingthesystempressurebyusingload-sensingtechnologythatcanmakethesystemflowoutofinfluencebyloadchangesandfinallyachievedsynchronizationisbroughtup.ThecomponentandbasicprinciplesofaLoad-sensinghydraulicsynchronoussystemisintroduced.Theload-sensingpump、multi-wayvalveandentiresystemAMESimmodelisestablished.Andthecorrectnessofthemodelisverified.Simulationresultsrevealsthatwhenthesinglecylindermoves,load-changingdoesn’taffectthesystemflowandthespeedofcylinderisstable.Whenthetwocylindersmove,thetwo-loopflowsdoesn’tinfluencedbypartialload.Whentheinputsignalsarethesamesignal,thetwocylindersachievesynchronization.
KeyWords:
load-sensingsystem;
AMESimmodel;
simulation;
synchronization
0引言
随着液压技术在工程领域中的应用日益扩大,大型设备负载能力增加或因布局的关系需要多个执行元件同时驱动一个工作部件时,同步运动就显得尤为突出。
同其它同步方式相比,液压同步驱动具有结构简单、组成方便、易于实现自动控制和适宜大功率的场合等优点。
但是由于液压系统的泄漏、执行元件等存在的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、各执行元件间负载的差异、系统各组成部分的制造误差、油液的可压缩性等因素的影响,将造成多执行机构的同步误差,如果不能有效地加以控制并克服这种同步误差,系统将不能正常工作[1]。
而在用单泵（或一组泵驱动多个动作的液压同步系统中,有两个问题需要解决:
一是在单个动作系统工作时,当负载变化时相应动作系统的速度要保持恒定;
二是多个动作系统的同步问题,即各动作系统的流量分配比例要保持恒定[2]。
负荷传感液压控制技术是一种比较理想的解决上述问题的方案。
1负荷传感系统工作原理
负荷传感控制系统是将节流调速和容积调速相结合的容积节流调速液压控制系统,具有节流调速和容积调速的所有优点。
负荷传感控制技术主要利用负载敏感和压力补偿技术,可用单泵（或一组泵驱动多个工作系统,通过流量控制阀,使流量按照需求比例分配到各工作系统,且各动作间相互独立,互不干扰。
由图1的原理图可知,负荷传感液压同步控制系统主要由负载敏感泵、压力补偿阀、电液比例流量控制阀、梭阀及液压缸组成。
收稿日期:
2010-07-15
作者简介:
师辉宇（1985-,男（汉族,甘肃白银人,硕士研究生,研究方向:
机电液控制理论与技术的研究。
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1-同步液压缸2-平衡阀3-多路阀3.1-方向阀主阀芯
3.2-压力补偿阀4-负荷传感变量泵
4.1-负载敏感阀
4.2-恒压阀4.3-变量缸5-LS梭阀
图1负荷传感液压同步系统图
1.1负载敏感泵工作原理
负载敏感泵工作原理如图2所示。
1-负载敏感阀2-恒压阀3-变量缸敏感
4-变量缸弹簧腔5-外接流量控制阀
图2负载敏感泵原理图
pL为负载需要的压力,通过流量控制阀5的流量QL为负载需要的流量。
敏感阀的阀芯位移会引起泵斜盘倾角的改变,斜盘倾角的改变又引起流量和压力的变化,压力、流量、阀的位移的变化相互作用,构成一个负反馈过程。
当它们达到平衡时,泵就会在稳定状态下工作。
通过分别调节LS阀、压力补偿阀的弹簧预压缩量和流量控制阀,可以得到需要的流量和压力。
泵的工作状态可分为下面四个部分。
（1待机状态。
负载停止工作时,阀5关闭,系统处于待机状态。
泵出口的压力油经过LS阀和压力补偿阀进入变量缸敏感腔,推动变量活塞减小斜盘倾角,使得泵的流量减小到最小值,泵出口压力降至与LS阀调整弹簧弹力相等。
由于斜盘倾角不完全为零,变量泵将产生一定的小流量,用于补偿泵自身的内泄漏。
待机时系统处于低压小流量状态。
（2流量自适应状态。
当负载需求流量增大,阀5开度增大时,泵输出流量小于负载所需流量,流过阀5的压差Δp=ps-pL减小,LS阀右腔负载压力和调整弹簧弹力之和大于左腔压力,LS阀的阀芯左移,变量缸敏感腔油液经过LS阀流入油箱,斜盘倾角增大,泵排量增大,压差增大,直到和LS阀弹簧弹力达到新的平衡。
当负载需求流量减小时,阀5开度变小,则正好相反。
LS阀处于平衡状态时,阀5两端压降Δp=ps-pL恒定,等于LS阀调整弹簧弹力,从而系统输出流量恒定[3]。
（3压力自适应状态。
当负载压力发生变化,比如负载压力增加,而流量控制阀5的阀口开度保持不变,此时LS阀左移,泵排量增大,出口压力增大,推动LS阀芯右移,经过快速的动态振荡后达到平衡,泵出口压力等于负载压力和弹簧调整压力之和。
反之,当负载压力减小时,则正好相反。
因此泵出口压力随着负载压力的变化而变化,其压力差始终保持不变。
（4保压或过载状态。
系统处于保压或过载状态时,系统中的油液不再流动（除内泄漏,此时有ps=pL,LS阀处于右位,当ps逐渐增大到恒压阀设定压力时,恒压阀右移,油液进入变量泵敏感腔,使泵的排量减小到仅能维持系统自身内泄漏,此时系统处于高压小流量状态。
2.2双缸同步控制负荷传感系统原理
双缸同步控制系统要求两个同步液压缸分别独立可控,而负载敏感泵只是实现了单执行机构中变量泵和负载的匹配,所以需要利用压力补偿技术在负载敏感泵的基础上加入两个带电液比例流量控制阀的压力补偿阀来实现两同步液压缸的独立可控,如图1所示。
负荷传感系统原理如图3所示,当控制阀开启,泵开始供油时,最大负载压力通过LS管路传递到LS调节器一端,LS调节作用使得泵出口压力和负载压力的压差始终保持在一个设定值Δp=ps-pL不变。
因为液压泵的出口压力取决于最大负载压力,所以如果没有压力补偿阀,负荷传感控制将只能在高压回路起作用,在可控节流口不变时,低压回路上的流量将随高压回路负载的变化而变化,从而引起各执行器之间的不协调。
压力补偿阀能很好地解决这个问题,它能使各个回路都实现压力补偿,从而使每一节流口压差等于压力补偿阀的弹簧设定值[4]。
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图3负荷传感系统原理图
当一个液压缸单独工作时,负载压力作用在LS调节器一端,泵出口压力作用在LS调节器另一端,通过LS调节器的补偿作用,保证泵出口压力和负载压力保持在设定值（如1.5MPa。
油液流过可控节流口形成压差作用于压力补偿阀两端,通过设定压力补偿阀弹簧预压缩量,使得可控节流口压差为设定值（设为0.9MPa,只要可变节流口面积不变,流量就不再受负载变化影响而保持恒定,液压缸的运动速度就保持不变。
泵出口压力和可控节流口入口压力之间的0.6MPa的压差,则以压力损失的方式消耗在压力补偿阀口上。
当两个液压缸同时工作时,两负载压力中最大值将通过梭阀作用于LS调节器右端,通过调节器的补偿作用,泵出口压力将为最大负载压力和LS调解压力之和。
假设液压缸I的负载压力p1=21MPa,液压缸II的负载压力p2=16MPa,两负载压力经过梭阀比较后将液压缸I的负载压力送到LS口,即有pLS=p1=21MPa,则pp=22.5MPa,pp和p2作用在压力补偿阀II的两端,此时,若压力补偿阀Ⅱ全开,不起节流作用,则压差值达到Δp2=22.5-16=6.5MPa,大大超过了压力补偿阀Ⅱ的弹簧预紧力（0.9MPa,这时,阀芯将被推向阀口减小方向,减小阀口面积,使得压力补偿阀Ⅱ上的压差增大,最终达到平衡,这时,Δp2=0.9MPa,从而可知,压力补偿阀Ⅱ上因节流消耗掉的压力是5.6MPa。
这说明,无论液压缸Ⅰ和Ⅱ的负载压力如何变化,压力补偿阀都可通过改变阀口开度来改变阀口上消耗的能量,最终使得可变节流口Ⅰ、Ⅱ上的压力降相同。
根据液压阀流量公式可知,在此系统中,通过两可变节流口的流量只与它们的节流孔面积有关,且Q1/Q2=A1/A2,说明,只要控制各执行机构的可变节流口的面积一经调定,各动作间的流量比例关系便不再受外界干扰而保持不变,从而保证各个动作精确地同步。
2负荷传感系统的AMESim建模
AMESim是法国IMAGINE公司1995年推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件。
AMESim采用类似功率键合图法的方法建模,采用图形方式来描述系统中各元件的相互关系,能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况,元件间均可反向传递数据[5]。
2.1负载敏感泵模型
图4负载敏感泵的AMESim模型[6]。
图4负载敏感泵AMESim模型
参考力士乐A10V变量泵,设定模型参数。
设定负载敏感阀弹簧压力为2MPa,负载压力为3MPa。
给节流阀一个方波信号,模拟负载流量需求增大和减小两个过程,得到泵输出流量响应曲线如图5所示。
由图可知,泵的正阶跃响应时间约为50ms,负阶跃响应时间约为40ms,与力士乐样本中的响应时间基本一致。
说明AMESim模型基本正确。
图5泵流量输出方波信号响应曲线
2.2多路阀模型
图6为单片多路阀的AMESim模型。
多路阀包括压力补偿阀及比例流量控制阀。
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图6多路阀AMESim模型
给多路阀0~10V的电压信号,运行仿真模型,得到多路阀P-A口的流量特性曲线,如图7所示,仿真曲线与厂家提供的实验流量特性曲线基本一致,说明仿真模型建立的比较准确。
由图8可知,AMESim模型压力补偿阀两端压差始终保持恒定,模型准确。
图7多路阀P-A口流量特性仿真曲线
图8压力补偿阀补偿压差特性
2.3双缸同步控制负荷传感系统模型
负载敏感泵及其多路阀的AMESim模型建立后,其它的液压元件均可在AMESim的液压元件库中找到相应的模型。
将负载敏感泵及多路阀模型“压缩-打包”成直观简易的图标,连接这些元件组成负荷传感双缸同步控制系统模型,如图9所示。
图9负荷传感同步系统模型3负荷传感同步系统仿真研究
3.1单个液压缸动作时系统仿真研究
只给一个多路阀片电信号,使得只有单个液压缸动作。
给定电信号如图10所示,液压缸活塞杆受力如图11所示,设定仿真采样时间为12s,采样时间为0.001s。
运行仿真模型,得到单个液压缸动作时的压力、流量变化曲线如图12所示:
图中曲线1为泵出口压力pp变化曲线;
曲线2为泵的LS口感应压力pLS;
曲线3为pp和pLS的压力差;
曲线4为泵出口流量变化曲线。
图10流量控制阀输入电信号图11液压缸活塞负载力
图12系统压力、流量变化曲线
由曲线2可知,从开始到12s时,压力pLS一直随着外负载的变化而变化,在12.1s左右,pLS突然降为0MPa,但此时外负载为40kN,这是由于电信号下降到了3.5V左右,这时进入了阀的死区,阀芯基本关闭,中位时多路阀LS口与油箱接通,故pLS降为0MPa。
由曲线3可知,系统运行过程中泵出口压力pp与外负载压力pLS之间的压力差一直稳定在1.4MPa左右,在12.1s时,由于阀芯的突然关闭,造成了压差有一个较大的波动。
由曲线4可以看出泵出口流量一直跟随着电信号的变化而变化,没有受到负载压力变化的影响。
3.2双缸同步动作时系统仿真研究
假设泵流量充足,同时给两片多路阀不同的信号[7],如图13所示;
在两液压缸上也施加不同的负载力,如图14所示;
运行仿真模型,得到双缸同步动作时系统的压力变化曲线（见图15和流量变化曲线（见图16。
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图13流量控制阀输入电信号图14液压缸活塞负载力图15系统压力变化曲线图16系统流量变化曲线
图13、14、16中曲线1、2分别为回路1、2的特性曲线,图15中曲线1为泵出口压力,曲线2、3分别为回路1、2压力,曲线4为泵出口压力与外负载最高压力的压差曲线。
由图15可知,泵出口的压力与两回路中的最高压力之差恒定在1.4MPa左右。
由图16可以看出,两回路流量与两回路中流量阀的输入电信号成正比,而两回路的负载变化不影响对方的流量。
4结束语
将负荷传感技术应用于液压同步控制系统,不仅解决了偏载情况下的双缸同步问题,而且提高了整个系统的效率,达到了节能的目的。
同时不受负载变化影响的稳定输出流量使液压缸速度稳定,减少了负载突变对液压缸的冲击,提高了系统的可靠性。
参考文献
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#与铁路基建齐飞工程机械迎来重要战略机遇
我国成为跃居全球最大工程机械市场。
数据显示,我国占全球工程机械市场的份额,已从10年前的7%,迅速攀升到去年的31%。
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其中,我国铁路营运里程,将从去年的8.6万公里增至2020年的12万公里以上;
高速公路里程,将从去年的6.5万公里增加到2020年的10万公里;
城镇户均住房面积,将从2008年的60平方米增至2020年的90平方米;
能源建设,到2020年我国将投入8万亿元人民币。
这些都直接刺激了我国工程机械市场的发展壮大。
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