負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)沖擊特性仿真研究

賈江波，文艷格，顧海榮

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064）

0 前言

負(fù)載敏感系統(tǒng)是一種通過(guò)感受工作負(fù)載需求，僅向系統(tǒng)提供所需流量和壓力的液壓回路，在工程機(jī)械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在主閥關(guān)閉過(guò)快而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力沖擊的問(wèn)題，造成密封裝置和管道壽命降低、性能下降，有時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。針對(duì)液壓系統(tǒng)壓力沖擊問(wèn)題，李寧[1]等對(duì)液壓系統(tǒng)沖擊產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，建立了流體突然停止運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)部件突然制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生液壓沖擊的數(shù)學(xué)模型。趙燕[2]等通過(guò)仿真分析得出主泵排量的響應(yīng)速度明顯滯后于主閥閥芯位移，導(dǎo)致主閥關(guān)閉過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)流量過(guò)剩，從而引起壓力沖擊。張軍[3]等通過(guò)試驗(yàn)的方法對(duì)影響液壓系統(tǒng)沖擊特性的因素進(jìn)行了定性分析，但未進(jìn)行深入的定量分析。因此，本文在目前研究的基礎(chǔ)上，建立負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型，探究影響液壓系統(tǒng)沖擊的特性的因素并進(jìn)行精確的定量分析，為削減系統(tǒng)沖擊提供一定的參考。

1 系統(tǒng)壓力沖擊分析

在負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)主泵自動(dòng)調(diào)節(jié)變量機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量壓力的實(shí)時(shí)控制，在主泵負(fù)載敏感閥的作用下，系統(tǒng)壓力與負(fù)載壓力的差值始終維持在設(shè)定壓差范圍，系統(tǒng)流量與負(fù)載所需流量自動(dòng)匹配。當(dāng)主閥快速關(guān)閉時(shí)，變量泵排量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度滯后于主閥的關(guān)閉速度，主閥關(guān)閉的瞬間，主泵仍維持較大排量持續(xù)為系統(tǒng)供油，多余的流量在管路內(nèi)聚集造成壓力沖擊[3]。主泵口到主閥之間的管路可視為一個(gè)動(dòng)態(tài)封閉容腔，根據(jù)液壓壓力梯度公式可知，由于主閥關(guān)閉而產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力沖擊增量[4]為：

其中，Ep為管路內(nèi)油液的體積模量；VP為管路的有效體積，m3；t為主閥關(guān)閉時(shí)間，ms；ΔQP為單位時(shí)間流入與流出動(dòng)態(tài)封閉容腔的流量差。

根據(jù)式（1）可知，系統(tǒng)沖擊與主閥關(guān)閉時(shí)間t和ΔQP有關(guān)，ΔQP與系統(tǒng)流量有關(guān)，而系統(tǒng)流量受控于主閥的開(kāi)口大小和關(guān)閉時(shí)間。因此，可以得出系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)系統(tǒng)沖擊產(chǎn)生影響，而負(fù)載壓力PL對(duì)系統(tǒng)沖擊不產(chǎn)生影響。

2AMESim模型

利用AMEsim軟件中HCD庫(kù)建立系統(tǒng)仿真模型對(duì)負(fù)載敏感系統(tǒng)沖擊特性進(jìn)行分析[5-6]。

如圖1所示，仿真模型包括變量泵、負(fù)載敏感閥、壓力切斷閥、壓力補(bǔ)償閥、主閥和模擬加載閥。將主閥進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使用可變節(jié)流閥進(jìn)行代替。其中主泵排量設(shè)置為28 mL/r，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，安全溢流壓力20 MPa，仿真時(shí)間15 s，采樣間隔1 ms。

圖1 負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型

模擬主閥打開(kāi)、保持和復(fù)位的一個(gè)工作循環(huán)，監(jiān)測(cè)主泵出口處的系統(tǒng)壓力PS、系統(tǒng)流量Q、負(fù)載壓力PL、得到如圖2所示的曲線。

圖2 模型仿真曲線

可以看出，0～3 s內(nèi)，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，Q幾乎為0，PL為0，PS為2.6 MPa，兩者差值為 2.6 MPa；t=3 s時(shí)，主閥打開(kāi)并且維持開(kāi)口不變，此時(shí)Q穩(wěn)定為 30 L/min，PL上升到 4 MPa，PS穩(wěn)定在 6.6 MPa，兩者差值為2.6 MPa；t=9 s時(shí)，主閥關(guān)閉，Q和PL回落到0，PS值先是瞬間升高到9.5 MPa后逐漸回落，出現(xiàn)明顯的沖擊現(xiàn)象，沖擊增量約為2.9 MPa，最終PS與PL差值恢復(fù)到2.6 MPa。仿真結(jié)果與負(fù)載敏感泵樣本的參數(shù)一致，驗(yàn)證了模型的正確性。

3 仿真分析

通過(guò)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)模型和AMEsim批處理功能進(jìn)行仿真分析。

3.1 系統(tǒng)流量對(duì)沖擊的影響

設(shè)定負(fù)載壓力為4 MPa，主閥關(guān)閉時(shí)間為50 ms，分別在系統(tǒng)流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min的條件下進(jìn)行仿真，得到不同系統(tǒng)流量下的壓力沖擊曲線，如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)流量下的壓力沖擊曲線

由圖3可知，在系統(tǒng)流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min條件下，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達(dá)到了9.5 MPa、8.4 MPa、7.5 MPa，表明系統(tǒng)流量對(duì)系統(tǒng)壓力沖擊影響較大，隨著系統(tǒng)流量的增大，系統(tǒng)沖擊增大。

3.2 主閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)沖擊的影響

設(shè)定系統(tǒng)流量QP=30 L/min，負(fù)載壓力為4 MPa，分別在主閥關(guān)閉時(shí)間為 50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms的條件下進(jìn)行仿真。得到不同主閥關(guān)閉時(shí)間下的壓力沖擊曲線，如圖4所示。

圖4 不同主閥關(guān)閉時(shí)間下的壓力沖擊曲線

由圖4可知，主閥關(guān)閉時(shí)間為50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms時(shí)，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達(dá)到了 9.5 MPa、7.9 MPa、7.3 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa、6.6 MPa，沖擊增量分別為 2.9 MPa、1.3 MPa、0.7 MPa、0.3 MPa、0.1 MPa、0 MPa，表明主閥關(guān)閉時(shí)間對(duì)系統(tǒng)壓力沖擊影響較大，隨著主閥關(guān)閉時(shí)間的延長(zhǎng)，沖擊逐漸減小，當(dāng)主閥關(guān)閉時(shí)間大于500 ms，沖擊幾乎消失。

3.3 負(fù)載壓力對(duì)沖擊的影響

設(shè)定系統(tǒng)流量QP=30 L/min，主閥關(guān)閉時(shí)間50 ms，分別在負(fù)載壓力為 4 MPa、6 MPa、8 MPa 的條件下進(jìn)行仿真。得到不同負(fù)載壓力下系統(tǒng)壓力沖擊曲線，如圖5所示。

圖5 不同負(fù)載壓力下壓力沖擊曲線

由圖5可知，在負(fù)載壓力為4 MPa、6 MPa、8 MPa時(shí)，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達(dá)到了13.2 MPa、11.3 MPa、9.5 MPa，沖擊增量分別為 2.6 MPa、2.7 MPa、2.9 MPa，沖擊增量基本接近，但存在一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因是隨著負(fù)載壓力增大，系統(tǒng)壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。

4 結(jié)論

針對(duì)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中主閥關(guān)閉過(guò)快導(dǎo)致的壓力沖擊問(wèn)題，建立了負(fù)載敏感系統(tǒng)壓力沖擊仿真模型，探究系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時(shí)間、負(fù)載壓力等因素對(duì)系統(tǒng)壓力沖擊的影響。

（1）建立了負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)AMESim模型，模擬系統(tǒng)工作過(guò)程，驗(yàn)證了模型的正確性；

（2）通過(guò)模型仿真分析得出系統(tǒng)壓力沖擊與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)，與系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時(shí)間有關(guān)，系統(tǒng)流量越大，主閥關(guān)閉時(shí)間越短，系統(tǒng)壓力沖擊值越大。

（3）在不同負(fù)載壓力下，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力沖擊增量存在一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因是隨著負(fù)載壓力增大，系統(tǒng)壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。