基于AMESim的负荷传感与LUDV液压系统的仿真研究解读.docx

1、基于AMESim的负荷传感与LUDV液压系统的仿真研究解读基于 AMESim 的负荷传感与 LUDV 液压系统的仿真研究李萌,蔡文远(北汽福田汽车股份有限公司,北京 102206摘要:本文介绍了负荷传感与 LUDV 液压系统, 分析了在单泵多执行机构时负荷传感与 LUDV 液压系统的工作特点,并在此基础上建立了负荷传感变量泵、负荷传感液压系统与 LUDV 液 压系统的 AMESim 模型,进行了仿真分析。关键词:负荷传感; LUDV ; AMESim ;仿真前言负荷传感技术因其高效节能的特点,被广泛应用于工程机械、矿山机械等领域。工作中, 负荷传感液压系统能实时地将负载的压力信号反馈给负荷传感

2、变量泵,变量泵根据压力信号 进行实时的调节自身的流量和压力,使之与负载需求相适应,满足负载的需要,这极大地减 少了功率损失。同时,当多执行机构同时工作时,负荷传感多路阀采用了压力补偿技术,通 过控制多路阀的开度来控制各执行器的速度,而与各执行器的负载没有关系,大大提高了工 程车辆的可操作性。在负荷传感液压系统中,当多执行器同时工作时,如果各执行器的总流量需求大于泵的 最大输出流量,会使系统失去复合动作的能力,而 LUDV 液压系统则很好的解决了这样的问 题。1 负荷传感与 LUDV 液压系统负荷传感 (LS与 LUDV 液压系统一般为单泵多执行机构工作,它们的构成一般有负荷传 感变量泵、压力补

3、偿阀、梭阀等。它们的原理图见图 1和图 2 。它们最大的特点就是系统的 输出流量与负载没有关系,而只与阀口开度成正比,下面对这两个系统的特点分别说明。2.1负荷传感液压系统图 1为负荷传感液压系统的原理图。由图可知,负荷传感液压系统的压力补偿阀为一定 差减压阀,它与多路阀组成了一个调速阀。根据伯努力流量方程P AC Q d =2式中:Q 流量, s m /3;d C 流量系数;A 阀的开口面积, 2m ;P 多路阀口前后压差, Pa ; 液体密度, 3/m Kg 。由公式可知, 系统的 和 d C 一般为定值, 那么流量只与 A 和 P 有关。 如果 P 为一定植, 则系统流量 Q 与阀的开口

4、面积 A 成正比,阀口开度增大,流量增大,阀口开度减小,流量减 小,与负载没有关系。由原理图可知, P 其实就是压力补偿阀设定的压力,为一定值。这样系统的流量只与阀 口的开度大小成正比,而与负载无关。通过对系统原理图的分析还可以得知,如果工作系统需求的流量超过泵供油能力的极限 时,最高负荷回路上的执行元件速度会迅速降低甚至停止,压力油大部分或全部流向低负载 执行机构,从而使工作机构失去复合动作的协调能力。2.2 LUDV液压系统图 1 LS液压系统原理图 图 2 LUDV液压系统原理图 负荷传感变量泵压力补偿器 多路阀开口梭阀负荷传感变量泵压力补偿器 多路阀开口梭阀从上面系统的原理图可知,负荷

5、传感液压系统是阀前压力补偿, LUDV 液压系统是阀后 压力补偿,负荷传感液压系统的压力补偿阀是基于定差减压阀,而 LUDV 液压系统的压力补 偿是基于比例溢流阀。LUDV 液压系统中,根据压力补偿阀的受力平衡可以得到如下的关系式:m o P P P +=式中:o P 多路阀出口压力, Pa ;P 压力补偿阀弹簧的设定产生的开启压力, Pa ;m P 梭阀输出的最高压力, Pa 。则多路阀的前后压差 o p P P P =式中 p P 泵的出口压力, Pa 。根据负荷传感泵的特点可知ls m p P P P +=式中 ls P 变量泵中负荷敏感阀的压力设定值, Pa 。则 P P P ls =

6、由于 ls P 和 P 都是定值,则多路阀的前后压差 P 为定值。这种控制形式与泵的流量饱和与否没有关系,流向各支路执行器的流量只与其控制阀的 开口度成正比。如果泵能提供的最大流量小于各执行器需求流量的总和,则流向各支路的流 量以泵的最大流量为基础,按照各支路控制阀的开口度成正比例分配,不会使各执行机构失 去复合动作的协调能力。3 AMESim系统建模与仿真AMESim (Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering是世 界著名的工程系统高级建模与仿真平台,它提供了一个系统级工程设计的完整平台,使得用

7、户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型,并在此基础上 进行仿真计算和深入的分析。AMESim 采用物理模型的图形化建模方式,软件中提供了丰富的应用元件库,用户可以 采用基本元素法按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型,从而使用户从繁琐的数学建模中解放出来,而将更多的精力投入到实际物理模型本身的研究。其应用领域包括:燃料喷射系统;悬挂系统;车辆动力学;制动系统;润滑系统;动力操纵系统;冷却系统;传动系统;变量阀压力脉动;液压元件;阀/管路;系统控制;液压回路;机械系统等。AMESim 有 40多个应用库,本文应用了其中的液压库、 HCD 库、机械库、信号库等建 立

8、了系统的模型,并进行了仿真分析。3.1负荷传感变量泵建模与仿真根据负荷传感变量泵原理图,搭建了变量泵的模型,并设置模型各个模块相应的参数, 使负荷传感变量泵的基本参数为:排量为 100r cm /3, LS P 为 24bar ,容积效率 为 0.98,切 断压力为 254bar 。如下图 3为负荷传感变量泵的 AMESim 模型。 AMESim 有一个超级元件(super component的功能,可以把复杂的系统封装,用一个 简单的图标来代替,图标放在自己定义的应用库中,可以方便的取用。图 4便为封装后的变 量泵模型,简单直观。搭建如下图 5简单的系统,验证变量泵的模型的正确性。下列系统各

9、元件的基本参数为:电机转速 2000r/min, 变量节流口直径为 8mm , 控制信号 10s 使节流口面积从最大变为 0, 10s 到 15s 保持 0;节流口的直径 4设置为 5mm 。仿真时间 为 15s ,通讯间隔为 0.01s 。泵输出流量的仿真结果见图 6。节流口两端的压差 24bar ,见图 7。经分析,仿真结果与预期一致,变量泵模型正确。图 3 变量泵模型 图 4 封装后变量泵模型 3.2 负荷传感与 LUDV 液压系统建模与仿真根据原理图搭建负荷传感与 LUDV 液压系统的 AMESim 模型,见图 8和图 9。对于负荷传感液压系统, 设置参数如下:可变节流阀 1和可变节流

10、阀 2的最大通径为 5mm ; 控制信号 1在 0 1秒内的值为 0.5, 1 5秒内的值为 1;控制信号 2在 0 1秒的值为 0, 1 3秒为 0.8, 3 5秒为 1; 压力补偿阀 1和压力补偿阀 2的 P为 10bar ; 负载 1为 100000N , 负载 2为 300000N ;流量系数 0.7;仿真时间 5秒,通讯间隔 0.01秒。现在计算一下在两个节流阀都完全打开的情况下,系统能正常工作的饱和流量是多大, 按此可以计算出给系统提供饱和流量时,泵的最低转速。据公式 PA C Q d = 2图 5 图 6 流量曲线 图 7 节流阀口前后压力按照给定的已知条件可得 Q=80L/mi

11、n，则泵的转速为 = 80 817r / min 。 100 *10 3 * 0.98 把电机的转速分别设为 1500r/min、500r/min、100r/min，做三次仿真，分析结果。 对于 LUDV 液压系统，设置压力补偿的相关参数，使节流阀前后的压差 P 为 10bar，与 负荷传感液压系统一致，其余参数设置与负荷传感液压系统的参数设置一致，进行仿真分析， 其结果与负荷传感液压系统相比较，进行分析。 负载 1 负载 2 节流阀 1 控制信号 1 节流阀 2 控制信号 2 压力补偿阀 1 压力补偿阀 2 图8 LS 液压系统仿真模型 负载 1 负载 2 压力补偿阀 2 压力补偿阀 1 节

12、流阀 1 控制信号 1 节流阀 2 控制信号 2 图9 LUDV 液压系统仿真模型 -6- 仿真结果见图 10 图 13。 图 10 负荷传感液压系 统节流阀 1 的流量 图 11 负荷传感液压 系统节流阀 2 的流量 图 12 LUDV 液压系 统节流阀 1 的流量 图 13 LUDV 液压 系统节流阀 2 的流量 下面对仿真结果进行分析。 当电机转速为 1500r/min 时，变量泵能提供足够的流量，负荷传感液压系统与 LUDV 液 压系统的两个支路的节流口的流量在仿真的三个阶段的数值见下表： 表1 1500r/min 时，负荷传感系统仿真结果 01s 节流口 1 流量 （L/min） 节

13、流口 2 流量 （L/min） 13s 40 32 35s 40 39.9 20 0 -7- 表2 1500r/min 时，LUDV 系统仿真结果 01s 节流口 1 流量 （L/min） 节流口 2 流量 （L/min） 13s 39.5 31.5 35s 39.4 39.2 20 0 从表中看到，当流量足够时，负荷传感液压系统与 LUDV 液压系统基本没有什么区别， 且通过节流口的流量与节流口的开度大小成正比。 当电机转速为 500r/min 时， 负荷传感液压系统与 LUDV 液压系统的两个支路的节流口 的流量在仿真的三个阶段的数值见下表： 表3 500r/min 时，负荷传感系统仿真结

14、果 01s 节流口 1 流量 （L/min） 节流口 2 流量 （L/min） 表4 13s 40 9 35s 40 9 20 0 500r/min 时，LUDV 系统仿真结果 01s 节流口 1 流量 （L/min） 节流口 2 流量 （L/min） 13s 27.3 21.7 35s 24.6 24.4 19.8 0 电机转速 500r/min 时， 当两节流阀同时开到最大时， 泵提供的流量已不能满足系统需要， 由于负荷传感系统支路 1 的负载小于支路 2 的负载，所以流量优先得到满足。而同样条件的 LUDV 液压系统，流过节流口 1 和节流口 2 的流量仍然与它们的开口度的大小成正比，与

15、负 载没有关系。 当电机转速为 100r/min 时，泵提供的流量严重不足，由图 11 可知，负荷传感液压支路 2 的流量几乎为零，液压油全部流向低负载的支路 1。而 LUDV 液压系统的流量依然按照各支 路节流口开度大小进行正比例分配。 4 结论 本文介绍了负荷传感液压系统以及 LUDV 液压系统，分析了它们的共同点以及区别， LUDV 液压系统是与负载压力无关的流量分配系统，在单泵多执行机构系统中，各支路的流 量分配除了与各支路的负载压力无关外，还与泵所能提供的最大流量没有关系，只与控制各 支路的多路阀的开度有关，这样在多执行机构进行复合动作时，不会因为泵的流量不足而失 去复合动作的协调能

16、力。 本文简要介绍了 AMESim 的功能，建立了负荷传感泵、负荷传感液压系统、LUDV 液压 -8- 系统的 AMESim 模型，对负荷传感泵进行了超级模块封装，并对系统模型进行了仿真。通过 对仿真结果的详细分析，验证了负荷传感变量泵、负荷传感液压系统、LUDV 液压系统的特 点。 参考文献： 1. 张海涛， 何清华等. LUDV 负荷传感系统在液压挖掘机上的应用. 建筑机械， （10） 2004 . 谢英俊. 多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述. 机床与液压， （3） 2001 . 2. 顾临怡， 3. 张新海，何清华等. 挖掘机负荷传感液压系统中的压力补偿，工程机械，2005（7） . 祁晓野. AEMSim 系统建模和仿真从入门到精通. 北京航空航天大学出版社. 4. 付永领， 2006. -9-