基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim仿真.docx

1、基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim仿真基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim仿真摘 要：为扩展蓄能器的压力适用范围，提出了一种压差控制方法，利用液压缸或增压缸两腔压差，以比例溢流阀调节背压，进而控制蓄能器压力。针对典型的大流量快速加压系统，基于增压缸压差控制，进行了蓄能器补流压力控制回路的设计与计算。通过AMESim软件对压力控制效果仿真分析，结果表明该方法达到了控制要求，提高了蓄能器的适用性和压力控制的灵活性。关键词：蓄能器；压差；比例控制；AMESim仿真引言蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置，主要用于作辅助动力源。蓄能器按照加载方式的不同可以分为重力加载式、弹簧

2、加载式和气体加载式三大类。重力加载式在输出液体的过程中可以得到恒定的液体压力，但是体积大，非常笨重1。弹簧式和气体式蓄能器都有一个共同的特点，就是输出压力由蓄能器中液体的容积决定，在释能的过程中压力随着液体的输出而降低，常用的气囊式蓄能器压力变化是非线性的。这样，在需要压力由低到高或者恒压以及其他要求精确控制输出压力的系统中，压力控制成为应用蓄能器的关键问题2。本文将详细介绍的蓄能器压力的压差控制方法就是这一问题的很好的解决方案。AMESim作为非常优秀的仿真软件，为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案。AMESim非常适合液压传动及控制系统与元件的建模，

3、为液压技术的创新研究和设计分析提供了很好的仿真平台34。本文应用AMESim对蓄能器压力控制进行了系统建模，得到了合理的设计计算和满意的仿真结果。1气囊式蓄能器的压力特性这里着重研究常用的气囊式蓄能器的压力控制，该控制方法对其他种类的蓄能器也适用。气囊式蓄能器的工作原理是：利用气体的可压缩性，靠封闭气体的弹性变形储存和释放能量。当进入蓄能器中的油液压力升高时，蓄能器气囊内的气体受压缩体积变小，储存能量，同时蓄能器内的油液体积增大。当蓄能器内油液压力降低时，气囊内气体膨胀，释放能量，同时把油液挤出蓄能器。通常，气体的压力与体积的关系可用下式描述 pVgn=Const (1) 式中，p、Vg分别为

4、气体的压力和体积，指数n在不同的过程下有不同的取值5，一般等温过程取1，绝热过程取1.4。当蓄能器中的液体体积为Vf，蓄能器总容积为V0时， Vg = V0 Vf (2)则有 p(V0 Vf)n = Const (3)图1 蓄能器压力与充液体积关系曲线图1所示为蓄能器压力与充液体积的关系曲线。若蓄能器预充气压力为100 bar，总容积为20 L，蓄能器的压力p随充入油液体积Vf的变化而变化，蓄能过程压力非线性的由低到高上升，释能过程压力非线性的由高到低下降。2 蓄能器压力控制当所需压力pL与蓄能器压力pA不同时，就必须对蓄能器进行压力调节。对于一般的压力变化，如恒压、降压过程等，通常的压力控制

5、是使用减压阀，其回路简图如图2所示。这种控制方法的压力调节受减压阀性能限制，压力差(pA pL)需在减压阀工作范围。而且，减压阀使用时会带来很大的节流损失和液压系统的发热。若(pA pL)较大，减压阀可能无法满足调压要求，例如图3所示的压力变化，pL由10 bar上升到300 bar，而pA在释能过程中由500 bar下降到320 bar，这样就在一开始需要使压力控制阀产生近500 bar的压降，这种情况下，使用减压阀进行蓄能器压力控制就很难达到满意的效果了。图3 蓄能器压力与负载压力变化示意图压差控制方法是结合液压缸两腔或增压缸两低压腔压力差，以其中一腔压力为控制对象进行背压调节，获得液压缸

6、活塞杆输出力或增压缸高压腔更高的可控压力。图4是使用增压缸压差控制的一种蓄能器压力调节回路。系统按照表1中电磁铁动作，可以实现增压缸回推、蓄能器蓄能、蓄能器释能工作。按增压缸工作特性，在蓄能器释能过程中有 pL = (pA pP)A1/A2 (4)pP为比例溢流阀调节的背压。这样，输出压力就等于压差pA pP乘以一个增压比 = A1/A2，不同的输出压力范围，可以设计相应的增压比获得。通过调节pP，就可以控制输出压力pL的大小。这种压差控制方式非常适合于蓄能器作辅助动力源的应用场合，如快速补充大流量、变载变速升降、液压高速回路等。由于使用了增压缸，可以根据不同的设计要求给出更大的压力调节范围，

7、提高了蓄能器的压力等级。利用比例溢流阀调节背压来达到蓄能器压力控制的目标，在降低了对液压元件的性能要求的同时，提高了系统的控制性能，更容易实现精确的压力控制。表1 电磁铁动作表增压缸回推蓄能器蓄能蓄能器蓄能蓄能器释能工作1DT2DT3典型的设计计算及其AMESim仿真设系统最低工作压力为p1，最高工作压力为p2，蓄能器预充气压力一般可以从单位容积储能最大、蓄能器重量最小、延长使用寿命等角度出发选择，设为p0 7。作辅助动力源时，蓄能器的有效排油量V按系统需求确定，蓄能器的总容积V0可按下式计算： （5）式中，n为气体多变指数。增压缸的高压腔工作容积VSC按照执行单元所需最大工作油量设计。一般地

8、，增压缸的高压腔为柱塞缸，增压缸的增压比 = pL/(pA pP)pL/pA(6)另一方面 =(qA+qs)/ qL (7)qA + qs为增压缸低压腔输入流量，qL为高压腔输出流量，即负载流量。为使qA尽量小，降低系统流量需求，在负载流量qL一定的情况下，应使尽可能小8。设增压缸的行程为s，低压腔和高压腔的活塞、活塞杆直径分别为d1p、d1r，d2p、d2r，一般有 d1r = d2p，d2r = 0(8)这样，就有 (9)(10)确定工作容积VSC和增压比，就可根据增压缸尺度标准对缸的行程、活塞及活塞杆直径进行设计。 图5 大流量快速加压系统的AMESim仿真模型图图5的AMESim仿真模

9、型是针对一种应用蓄能器的大流量快速加压系统建立的，考查基于图4所示回路和压差控制方法的蓄能器压力控制特性。系统主要仿真参数如表2所示，负载设定为弹性阻尼负载，压力pL按图3变化。增压缸增压比按 = 3，高压腔为无杆腔，工作容积按VSC 3 L设计。系统控制单元实现比例溢流阀压力pP按式(11)pP = pA pL/ = pA pLA2/A1 (11)进行背压调节，由蓄能器压力pA反馈、比例溢流阀压力pP反馈以及饱和函数等组成。表2 系统主要AMESim仿真参数蓄能器预充气压力p090 bar总容积V020 L增压缸低压腔活塞直径d1p200 mm高压腔活塞直径d2p (d1r = d2p, d

10、2r = 0)100 mm最大行程s400 mm增压比3粘滞阻尼系数300 Ns/m定量泵额定流量qs40 L/min额定压力p2 (溢流阀调定压力)210 bar弹性阻尼负载质量m100 kg弹性系数K7105 N/m阻尼系数6000Ns/m图6 压力仿真曲线图7 流量仿真曲线系统仿真的负载压力pL、蓄能器压力pA、比例溢流阀压力pP以及蓄能器输出流量qA、增压缸高压腔输出的负载流量qL等的仿真曲线如图6、7所示。在本仿真模型中，设定的控制信号是线性的，弹性阻尼负载为匀速动作，负载流量qL基本恒定。从压力仿真曲线看，虽然蓄能器压力pA从210 bar降低到104.8 bar，但是在压差控制策

11、略下，比例溢流阀控制背压pP相应地以更大的幅度从210 bar下降到3.5 bar，同时由于增压缸的应用，系统输出压力pL从10 bar迅速上升到298.6 bar，基本与图3的目标压力控制曲线相吻合。根据流量仿真曲线，负载流量qL达到157 L/min，蓄能器输出流量qA达到424 L/min，也就是qL = (qA + qs)/，在应用增压缸获得高压的同时是以牺牲流量为代价的。由仿真结果可以看出，基于压差控制的蓄能器压力调节方法可以很好的达到控制要求。尽管蓄能器在储能、释能过程中压力变化是非线性的，而且释能过程的压力变化曲线与图3所示的目标压力控制曲线相差非常大，但是，结合增压缸，以比例溢

12、流阀调节背压的压差控制可以得到满意的蓄能器压力控制效果，其可控制的压力范围也更大了。4 结论本文提出了一种新的蓄能器压力控制方法，并以典型的大流量快速加压系统为对象，应用蓄能器补流，结合增压缸设计压差控制回路和控制策略，进行了基于AMESim的系统建模与仿真，得到了合理的设计计算与满意的压力控制效果。该方法通过对液压缸两腔或增压缸两低压腔进行压差控制，以比例溢流阀调节背压来实现输出压力的比例控制，解决了蓄能器释能降压过程的固有特性带来的压力调节问题，提高了蓄能器压力控制的能力，达到了扩展蓄能器应用的目的。基于压差控制的蓄能器压力调节方法可以满足更多的压力控制要求，是应用蓄能器的液压节能设计的创新。