基于AMESim的高壓煤油恒速液動(dòng)機(jī)仿真研究

李沛劍, 付 寧, 于 斌

(1.海軍駐航天一院軍事代表室, 北京 100076; 2.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076; 3.航天伺服驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076)

引言

恒速煤油液動(dòng)機(jī)是航天伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)力裝置，為液壓泵提供所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩[1-5]。恒速煤油液動(dòng)機(jī)的恒速性能直接影響到其驅(qū)動(dòng)的液壓泵的工作情況，進(jìn)而影響整個(gè)伺服機(jī)構(gòu)的性能表現(xiàn)。液動(dòng)機(jī)采用兩級(jí)恒速閥，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，影響液動(dòng)機(jī)性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，因此有必要在試驗(yàn)之前對(duì)恒速煤油液動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真研究，通過(guò)仿真找出相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液動(dòng)機(jī)性能的影響。利用AMESim軟件對(duì)采用二級(jí)恒速閥方案的恒速煤油液動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模和仿真，對(duì)恒速煤油液動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行仿真研究。

1 系統(tǒng)原理及模型

恒速煤油液動(dòng)機(jī)的原理圖如圖1所示，其中,p為引流高壓煤油的壓力值，R0～R3為阻尼器，RL為液動(dòng)機(jī)本體的內(nèi)部泄漏通道，Rn為布置在液動(dòng)機(jī)低壓出口的固定節(jié)流孔。

圖1 恒速煤油液動(dòng)機(jī)原理示意圖

恒速原理為：壓力值為p的高壓油液經(jīng)過(guò)主閥的節(jié)流作用進(jìn)入定排量液動(dòng)機(jī)本體，驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，由液動(dòng)機(jī)本體流出的油液經(jīng)固定節(jié)流孔R(shí)n后流回油箱，并在Rn前后形成與引流流量相關(guān)的壓力差，采集固定節(jié)流孔R(shí)n前后的壓差信號(hào)(代表主閥的流量)，經(jīng)過(guò)阻尼孔R(shí)1和R3的分壓，引入導(dǎo)閥左右兩腔，并與調(diào)定的導(dǎo)閥彈簧力相比較后決定導(dǎo)閥閥芯開(kāi)度，高壓油通過(guò)阻尼器R0后在導(dǎo)閥的調(diào)節(jié)下形成驅(qū)動(dòng)主閥閥芯的控制壓力，控制主閥的閥口開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)主閥流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。阻尼器R2并聯(lián)在主閥閥芯左右兩腔之間，參與主閥開(kāi)度的控制，提高主閥閥芯控制系統(tǒng)的阻尼性；RL代表定排量式液動(dòng)機(jī)本體的內(nèi)泄漏通道。

在該二級(jí)恒速閥中，主閥為減壓閥，固定節(jié)流孔R(shí)n串聯(lián)于主油路中；固定節(jié)流孔R(shí)n將主油路的流量轉(zhuǎn)化為壓差信號(hào)，并經(jīng)阻尼孔R(shí)1和R3分壓后傳遞給導(dǎo)閥；導(dǎo)閥起放大壓差信號(hào)(代表主油路的流量)的作用，固定節(jié)流孔前后的壓力信號(hào)經(jīng)先導(dǎo)閥的放大作用引入減壓閥的兩腔，控制減壓閥的開(kāi)度，這與調(diào)速閥的原理是相通的。

根據(jù)恒速煤油液動(dòng)機(jī)的液壓原理分析，利用AMESim軟件的液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和控制庫(kù)中相關(guān)元件搭建系統(tǒng)模型[6-13]，如圖2所示。

圖2 恒速煤油液動(dòng)機(jī)仿真模型

仿真模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和仿真初始值在恒速煤油液動(dòng)機(jī)的三維模型中測(cè)得，油液參數(shù)和環(huán)境參數(shù)由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)查得，工況參數(shù)根據(jù)航天伺服機(jī)構(gòu)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)給定。恒速液動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)作為本研究仿真工作的重要輸入，其設(shè)計(jì)過(guò)程涉及復(fù)雜的控制系統(tǒng)分析，不是本研究關(guān)注的重點(diǎn)，因此如何確定這些參數(shù)不在此贅述。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 阻尼孔徑R2對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響

根據(jù)恒速煤油液動(dòng)機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)參數(shù)R2一般取0.6 mm。考察不同R2值對(duì)液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，包含現(xiàn)狀態(tài)取值，阻尼孔徑R2分別取為0.5, 0.6, 0.7, 0.8 mm。

確定液動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況為液動(dòng)機(jī)帶載啟動(dòng)，工作時(shí)序設(shè)定如圖3所示，對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 液動(dòng)機(jī)工況

比較圖4a～圖4d可知，增大阻尼孔徑R2會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，降低液動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度，可以提高負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，抑制空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)，在一定程度上降低帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值。

圖4 阻尼孔徑R2對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

由圖4可知，由于阻尼孔R(shí)2兩端分別連接在主閥芯的左右兩端，相當(dāng)于主閥兩端之間存在一個(gè)阻尼作用的泄漏通道，在一定程度上對(duì)主閥芯的運(yùn)動(dòng)起到動(dòng)壓反饋的作用，在瞬態(tài)過(guò)程中，起到降低主閥快速性的作用，在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中則起到降低主閥芯液壓驅(qū)動(dòng)力的作用，因此會(huì)出現(xiàn)上述仿真結(jié)果。

2.2 主閥套面積梯度對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響

根據(jù)恒速煤油液動(dòng)機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)，主閥套面積梯度W為2×1.5 mm，這里考察主閥套面積梯度分別為2×1.5 mm和2×2 mm兩種情況，對(duì)液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速性能的影響，工作時(shí)序仍按圖3，仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 主閥套面積梯度W對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

由圖5a～圖5b可以看出，增大主閥套面積梯度，在一定程度上會(huì)降低液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，但是可以提高其負(fù)載剛度。

由此分析，當(dāng)主閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律一定時(shí)，主閥套的面積梯度直接影響液動(dòng)機(jī)的負(fù)載剛度和穩(wěn)態(tài)流量，而穩(wěn)態(tài)流量的變化反過(guò)來(lái)會(huì)影響主閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，使得恒速閥的工作點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，這一偏離將導(dǎo)致液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性降低，因此會(huì)出現(xiàn)上述仿真結(jié)果。

2.3 阻尼孔徑R1對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的影響

根據(jù)恒速煤油液動(dòng)機(jī)的實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)參數(shù)R1一般取0.56 mm?？疾觳煌腞1值對(duì)液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，包含現(xiàn)狀態(tài)取值，將阻尼孔徑R1分別取為0.50, 0.56, 0.60 mm，工作時(shí)序仍按圖3，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 阻尼孔徑R1對(duì)轉(zhuǎn)速的影響

由圖6a～圖6c可以看出，增大阻尼孔徑R1，液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)速度變快，液動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)的速度剛度變大，但是會(huì)在一定程度上降低液動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。

由此分析，阻尼孔R(shí)1和R3串聯(lián)，固定節(jié)流孔R(shí)n前端壓力基本保持恒定，經(jīng)過(guò)阻尼孔R(shí)1和R3的分壓作用，將R3前端的壓力作為反饋壓力控制導(dǎo)閥進(jìn)而控制主閥開(kāi)度。因此，當(dāng)阻尼孔R(shí)3恒定時(shí)，增大孔徑R1會(huì)導(dǎo)致R3上的分壓增大，即用于驅(qū)動(dòng)導(dǎo)閥的反饋壓力升高，恒速閥響應(yīng)速度提高；由于恒速閥是通過(guò)反饋壓力與導(dǎo)閥彈簧力的比較進(jìn)行恒速調(diào)節(jié)的，導(dǎo)閥彈簧力一定時(shí)，引流反饋壓力值由于孔徑R1的增大而升高了，在恒速閥的調(diào)節(jié)作用下，會(huì)通過(guò)降低流量，基本維持反饋壓力R1的恒定，最終表現(xiàn)為恒速工作的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降低，因此會(huì)出現(xiàn)上述仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

本研究利用AMESim軟件進(jìn)行了液動(dòng)機(jī)的建模和仿真，通過(guò)模擬型號(hào)伺服機(jī)構(gòu)熱試車(chē)時(shí)給定的相關(guān)工況，考察了阻尼孔徑R2，R1以及主閥套面積梯度W等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液動(dòng)機(jī)恒速性能的影響，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了理論分析，對(duì)液動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的啟發(fā)意義，得出了以下結(jié)論：

(1) 增大阻尼孔徑R2會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，降低液動(dòng)機(jī)的響應(yīng)速度；可以提高負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，抑制空載啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)；會(huì)在一定程度上降低帶載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速值；

(2) 增大主閥套面積梯度W，在一定程度上會(huì)降低液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性，但是可以提高其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；

(3) 增大阻尼孔徑R1，液動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度變快，液動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)的速度剛度變大，但是會(huì)在一定程度上降低其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。