基于AMEsim液壓增速回路仿真分析

鄧均成，陶 柳，雷 雄，王 競(jìng)

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系，四川 德陽618000）

0 引言

增速回路用來使執(zhí)行元件獲得盡可能快的運(yùn)動(dòng)速度，縮短工作循環(huán)時(shí)間，以提高生產(chǎn)率和充分利用功率。該回路一般采用自重充油，增速液壓缸等來達(dá)到增速的目的，所以又稱為快速運(yùn)動(dòng)回路[1]。自重充油回路不需要增設(shè)輔助的動(dòng)力源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是在活塞下行時(shí)液壓缸上腔吸油不充分，容易導(dǎo)致增速不穩(wěn)定，而增速液壓缸能很好的克服這一缺點(diǎn)，在實(shí)際生活中應(yīng)用廣泛。

本文利用AMESim仿真軟件建立了增速液壓缸增速回路仿真模型[2]，對(duì)回路的增速特性進(jìn)行了仿真分析，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為增速回路的精度提高提供了理論參考。

1 增速液壓缸增速原理

采用如圖1所示的利用增速液壓缸（又稱為快速活塞）的增速回路。活塞快速右行時(shí)，液壓泵只給增速液壓缸的小腔1供油，大腔2所需的液壓油經(jīng)液控單向閥3通過油箱4來補(bǔ)充，由于小腔1的有效工作面積小，所以此時(shí)活塞快速右行。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，系統(tǒng)壓力升高打開順序閥5，壓力油關(guān)閉液控單向閥3并進(jìn)入大腔2，由于此時(shí)有效工作面積增大，活塞轉(zhuǎn)入慢進(jìn)?；爻虝r(shí)，壓力油打開液控單向閥3，大腔2的回油排回油箱4中，活塞實(shí)現(xiàn)快退。

圖1 增速液壓缸增速回路

2 仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)液壓缸增速回路工作原理[3-5]，利用AMESim軟件搭建的回路仿真模型如圖2。

圖2 增速回路AMEsim仿真模型

利用AMESim軟件中BAP11（12）模塊模擬增速液壓缸的小腔1，BRP18模塊模擬增速液壓缸的大腔2；其余模塊模擬增速回路中的各種開關(guān)及閥體。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)增速回路工作原理及元件實(shí)際參數(shù)，設(shè)定各模塊參數(shù)如表1。

表1 參數(shù)設(shè)置表

其他子模型參數(shù)保持系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.3 仿真結(jié)果分析

圖3為增速液壓缸增速回路進(jìn)程中液壓缸速度隨時(shí)間變化的曲線圖：在仿真區(qū)間1～5 s中，由于外加負(fù)載為零，此時(shí)順序閥處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓泵泵出的油液經(jīng)管道進(jìn)入液壓小缸中，液壓缸以0.318 991 1 m/s的速度向右運(yùn)行；在仿真時(shí)間為5 s時(shí)，外加負(fù)載為20 000 N的作用力由STEP0提供并加人液壓回路當(dāng)中，此時(shí)順序閥入口處的壓力瞬間達(dá)到22.65 MPa，超過了其設(shè)定的開啟壓力10 MPa，順序閥打開。此時(shí)液壓泵泵出的壓力油進(jìn)順序閥流經(jīng)大液壓缸，由于液壓缸面積增大，液壓缸的速度減小，在本文中設(shè)定的參數(shù)下，液壓缸的速度最終穩(wěn)定在0.255 155 5 m/s的速度下運(yùn)動(dòng)。這與理論推導(dǎo)得出基本一致，說明了仿真模型的正確性。

但在仿真結(jié)果圖中可以發(fā)現(xiàn)，在仿真時(shí)間為5 s時(shí)即剛剛加入外加負(fù)載之后，增速液壓缸的速度出現(xiàn)了震蕩：震蕩的最低值達(dá)到了-0.387 m/s，最高值達(dá)到了0.689 m/s，速度變化量絕對(duì)值達(dá)到1.076 m/s，且震蕩時(shí)間維持了將近1 s。這對(duì)于液壓系統(tǒng)來說，危害巨大，特別是對(duì)于高精度的液壓系統(tǒng)，尤為明顯。

圖3 增速液壓缸進(jìn)程速度變化曲線

下面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過在增速液壓缸進(jìn)油口處增加一個(gè)節(jié)流閥方法來減小液壓缸的震蕩幅度及震蕩時(shí)間。研究得到節(jié)流口優(yōu)化參數(shù)，為增速液壓缸增速回路的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，改進(jìn)的仿真回路如圖4所示，在增速液壓缸進(jìn)油口處增加一個(gè)節(jié)流閥。

圖4 改進(jìn)的增速回路AMEsim仿真模型

如圖4改進(jìn)的的增速缸增速回路中，采用節(jié)流模型OR0000來模擬回路中小液壓缸的進(jìn)油口，通過子模型OR0000可以來設(shè)定不同的進(jìn)油直徑大小，以獲得在不同參數(shù)工況下增速液壓缸的動(dòng)態(tài)特性。

通過OR0000設(shè)定進(jìn)油口的直徑為10 mm，獲得的增速液壓缸的速度變化曲線如圖5所示。

從圖5的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在小液壓缸直徑為10 mm下有：在仿真區(qū)間1～5 s中，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度為0.314 063 1 m/s；在仿真時(shí)間為5 s時(shí)，外加負(fù)載為20 000 N的作用力由STEP0提供并加人液壓回路當(dāng)中，液壓缸的速度最終穩(wěn)定在0.255 100 5 m/s。速度大小與原仿真模型獲得的液壓缸速度大小基本一致。

圖5 改進(jìn)的增速缸速度隨時(shí)間變化曲線

但相對(duì)于原仿真模型，在仿真結(jié)果圖中可以發(fā)現(xiàn)，在仿真時(shí)間為5 s時(shí)即剛剛加入外加負(fù)載之后，增速液壓缸的速度現(xiàn)震蕩情況已經(jīng)消失：只是在負(fù)載加入的瞬間，由于液壓泵的壓力油沒有及時(shí)補(bǔ)充至液壓缸，致使液壓缸的速度瞬間降低到0.102 35 m/s。但液壓系統(tǒng)在約為0.1 s的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到了液壓缸的穩(wěn)定速度值0.255 100 5 m/s。這比原仿真模型的1 s時(shí)間大大減少。

以上結(jié)論得出，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)小液壓缸進(jìn)油口出的直徑及長(zhǎng)度可以減輕增速回路在速度變化瞬間速度的不穩(wěn)定性，下面通過改變OR0000值的大小，對(duì)模型進(jìn)行批處理仿真：分別取equivalent orifice diameter值為 9 mm、9.5 mm、10 mm、10.5 mm、11 mm，五組組數(shù)據(jù)來獲得在此工況下增速回路的最佳入口直徑的數(shù)值大小。

圖6（a）為直徑大小分別為9 mm、9.5 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小孔直徑由9 mm增加到9.5 mm時(shí)有：在仿真區(qū)間1～5 s中，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度由0.270 028 6 m/s增加到0.293 061 6 m/s；在仿真時(shí)間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩(wěn)定在0.255 100 3 m/s、0.255 100 4m/s。在加入負(fù)載的瞬間，對(duì)于前者，液壓缸的速度震蕩劇烈，出現(xiàn)了時(shí)高時(shí)低的反復(fù)震蕩的情況。

圖6（b）為直徑大小分別為9.5 mm、10 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小孔直徑由9.5 mm增加到10 mm時(shí)有：在仿真區(qū)間1～5 s中，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度由0.293 061 6 m/s增加到0.314 061 3 m/s；在仿真時(shí)間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩(wěn)定在0.255 100 4 m/s。在加入負(fù)載的瞬間，隨著小孔直徑增加，液壓缸的速度震蕩進(jìn)一步降低。

圖6（c）為直徑大小分別為10 mm、10.5 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小孔直徑由10 mm增加到10.5 mm時(shí)有：在仿真區(qū)間1～5 s中，液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度由0.314 061 3 m/s增加到0.318 991 1，這與原仿真模型中獲得的該階段的速度大小一致；在仿真時(shí)間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩(wěn)定在0.255 170 4 m/s、0.255 166 8 m/s。在加入負(fù)載的瞬間，隨著小孔直徑增加，液壓缸的速度震蕩弧度進(jìn)一步降低，但可以發(fā)現(xiàn)，隨著孔徑的進(jìn)步增加，液壓缸達(dá)到穩(wěn)定速度的時(shí)間略有增加。

圖6（d）為直徑大小分別為 10.5 mm、11 mm下液壓缸速度變化曲線圖，從仿真結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小孔直徑由10 mm增加到10.5 mm時(shí)有：在仿真區(qū)間1～5 s中，兩者液壓缸運(yùn)動(dòng)速度都穩(wěn)定在0.3 189 911 m/s，這與原仿真模型中獲得的該階段的速度大小一致；在仿真時(shí)間為5 s后，兩者液壓缸的速度最終分別穩(wěn)定在0.255 166 8 m/s 0.255 015 2 m/s。在加入負(fù)載的瞬間，隨著小孔直徑繼續(xù)增加，液壓缸的速度震蕩弧度反而開始增加。

通過對(duì)不同節(jié)流口直徑下液壓缸速度變化進(jìn)行了仿真研究，得到了本設(shè)計(jì)工況下較優(yōu)的節(jié)流口直徑值為10～10.5 mm，為增速回路的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及元件選型有一定參考價(jià)值。

圖6 不同節(jié)流口直徑下液壓缸速度變化曲線

3 結(jié)束語

本文基于AMEsim建立了增速液壓缸回路仿真模型，分析了回路壓力、速度的穩(wěn)定性，得到了其速度變化特性曲線；對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出在本文工況下，進(jìn)油口直徑在10～10.5 mm之間時(shí)，該增速回路能獲得較好的速度動(dòng)態(tài)性能，為增速回路的精度及理論深度提高提供了理論依據(jù)。