液压泵变量机构建模及能耗特性分析.pdf

设有一个平衡阀。作者在进行该机械化桥架设的教 学过程中， 发现桥跨展开后， 没法收拢。经分析， 是 由于平衡阀工作不正常所致 ； 并对该平衡阀作进一 步拆检发现其故障原因是 其左端盖上的轴向阻尼 孔 a 被完全堵死 。 【 2 ]张雅琴 ， 张祝新． 对液压系统设计中平衡回路问题研究 【 J 】 ． 机械工程师， 2 0 0 6 2 8 4 8 5 ． 【 3 ]赵焕军． 液压平衡回路的研究 f J 1 ． 工程机械， 1 9 9 9 5 3 4 - 3 6 ． [ 4 ]李秋莲． 阀控液压马达系统用平衡阀的改进『 J ] ． 液体传动 与控制， 2 0 1 2 2 4 4 4 5 ． 。 一 ⋯ ． ．．⋯⋯⋯一 ， 通信地址江苏省徐州工程兵学院五系工程装备基础教研室 [1 ] 苎 苎 ，胡 军 科 液 压 系 统 限 速 与 锁 紧 回 路 分 析 【J]机 床 】 ⋯⋯。 ～一 ⋯ 稿 一2 0 1 3 - ⋯0 3⋯- 1 5一 与 液 压 ，2 0 1 0 6 4 9 5 1 ． ⋯ ’ 液压泵变量机构建模及能耗特性分析 张建福 ， 王福 山， 王璇芝， 王克， 邓伟倩 天津工程机械研究院 摘要 研究液压挖掘机用液压泵变量机构的 ；量机构的双泵模型； 通过对挖掘机载荷谱试验数据 性； 研究挖掘机在交叉功率控制和负流量控制模式 节能研究提供依据。 0 - ◆-◆-◆。◆0◆◆-◆- ◆。◆。 ◆-◆ ◆-◆。◆。0 ◆- 工作原理 ， 利用液压仿真软件 A M E S i m建立变 和 仿真结果的 对比分析， 验 证仿真模型的正确 i 下的能耗特性， 为变量机构的改进和 挖掘机的 ． ．◆． ◆．◆．◆．◆．◆． ◆．◆．◆．．．◆．◆．◆- ．-◆ ／ 关键 词 液压泵 ； 变量机构 ； 交叉功率控制 ； 负流量控 制 液压挖掘机作为一种高效的工程机械 ， 已经被 越来越多的行业所应用 。挖掘机液压动力源为多种 控制方式相结合的轴向变量柱塞泵， 在诸多的控制 方式中， 交叉功率与负流量控制相结合能够有效地 防止发动 机过载 ， 提高系统效率 ， 已经成为 了中型 挖掘机液压系统主流控制方式之一【1 J 。 目前国内对挖掘机液压泵变量机构 的研究 ， 通 常采用挖掘机在交叉功率控制和负流量控制下分 别建模的方式 ， 多种变量特性分析不能集成在一个 模型中， 降低了仿真结果的可信度。 本文在对挖掘机液 压泵变量机构研 究 的基础 上 ， 应用 A ME S i m液压仿 真软件建立 了液压泵变量 机构 的整体模型 ， 同时将交叉功率和负流量控制作 用在同一仿真模型上， 通过挖掘机载荷谱试验数据 对仿真结果进行了验证 ， 并分析了在两种控制方式 下液压泵的能耗特性 。 1 仿真模型的建立 1 ． 1 交叉功率控制机构建模 挖掘机用液压泵所采用的交叉功率控制 ， 不仅 可以实现双泵单独控制各回路的流量 ， 而且还可以 保证每个泵 1 0 0 ％地吸收发动机功率，具有很好的 节能效果阁 。由于双泵交叉功率控制机构完全相同， 以其中单泵控制机构为例对其进行建模。 交叉功率控制机构如 图 1 所示 ， 主要 由载荷柱 塞 3 、 伺服柱塞 1 3 、 换 向阀芯 4和连杆机构组成。当 泵 1 或泵 2的出口压力增大且大于弹簧 1 1 预紧力 时， 载荷柱塞 3 在压力作用下向右移动， 通过销钉 9 带动连杆 8绕着 固定于壳体 的销钉 5做逆 时针的 转动 ， 连杆 8 通过销钉 7 使反馈拨叉 1 0绕销钉 l 2 做顺时针转动。换向阀芯 4在销钉 6的作用下向 右移动， 换向阀左位工作 ， 伺服柱塞 1 3无杆腔与 作者简介 张建福 1 9 8 5 一 ， 男， 河北唐山人， 硕士， 研究方向 液压元件和系统的研究与开发。 - - 4 7---- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 变量泵 1 2 ． 变量泵 2 3 ． 载荷柱塞4 ． 换向阀芯 5 ， 6 ， 7 ， 9 ， 1 2 ． 销钉8 ． 连杆1 0 ． 反馈拨叉1 1 ． 弹簧1 3 ． 伺服柱塞 图 1 交叉功率控制机构 工作原理图 液压 泵出 口相通 ， 柱塞两端面在液压力作用下 ， 由 于柱塞两端面的面积差形成的作用力 ，使伺服柱 塞 1 3向右运动， 斜盘的倾角变小从而使泵的输出 流量变小 。同时销 钉 1 2随柱塞向右运动 ， 推动反 馈拨叉 1 0绕销钉 7逆时针转动， 使销钉 6 推动换 向阀芯 4向左 移动从而关 闭阀 口，此 时压力增 大 流量 变小的调节过 程完毕。当泵 1或泵 2的出 口 压力降低时， 调节过程与上述相反 ， 原理相同。 图 l 表示了由连杆机构将载荷柱塞位移传递 给换向阀以及伺服柱塞位移的反馈过程， 分析该过 程可以推导出载荷柱塞、 换向阀芯及伺服柱塞之间 的位移关系。变量泵在交叉功率控制时 ， 连杆及反 馈拨叉的运动关 系如图 2所示 。 载荷柱塞移动后带动销钉 ， 通过反馈拨叉带动 换向阀芯运动 的过程如图 2 a 和 b 所示 ， 换 向阀 芯位移为 与载荷柱塞位移 关系如下 一盟 l l l 3 。 伺服柱塞开始动作后 ， 通过反馈拨叉关闭阀 口 如图 2 c 所示， 平衡时换向阀芯关闭， 变量泵伺服 柱塞位移 。 与载荷柱塞位移 关系如下 p 与 生 生 2 坼 从而可以推 导出伺服柱塞位移 。 与换 向阀芯 位移 的位移关 系 一 4 8一 b c 1 ． 伺服柱塞上销钉2 ． 反馈拨叉3 ． 反馈拨叉上销钉 4 ． 换向阀芯上销钉5 ． 连杆上销钉6 ． 连杆7 ． 载荷柱 塞上销钉 图 2连杆及反馈拨叉动作和状态 氟 1 3 同理也能够推导 出变量泵 负流量控制时换 向 阀芯位移和伺服柱塞位移与先导柱塞位移之间的 关系 ， 推导结果和式 1 、 2 、 3 类似 ， 只需要对应 带人负流量控制的连杆的尺寸即可。 利用液压仿真软件 A M E S i m中的 H C D库 ， 对 交叉功率控制机构的主要部件进行建模 。载荷柱 塞 以及对应 的控制弹簧是交叉功率控制机构 的主 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 要部分， 仿真模型如图 3 所示。载荷柱塞直接采用 H C D库中自 带的柱塞模型和质量模块进行建立； 由 于控制弹簧是由两个起始作用位置不同的并联弹 簧组成 ， 弹性系数出现了分段， 为了更接近实际情 况 ， 采用了机械模块中有间隙弹簧和正常弹簧并联 的方法来进行建模。 泵2 图3 载荷柱塞及控制弹簧仿真模型 变量机构中的换向阀和伺服柱塞为交叉功率 控制机构和负流量控制机构所共用，其模型如图 4 和 5 所示。利用 H C D库 自带元件和质量模块建立 基本结构 ， 载荷柱塞和换向阀芯 、 伺服柱塞和换向 阀芯之间位移关系通过前面推导的公式来表示。 1 ． 2 负流量控制机构建模 挖掘机用液压泵负流量控制机构工作原理如 图 6 所示， 挖掘机多路换向阀中的压力反馈信号为 P i 直接作用在负流量控制机构的先导柱塞上。当多 路换向阀反馈压力 P i 值增大时， 先导柱塞 1 克服弹 簧力向右移动，通过销钉 7 带动反馈拨叉绕销钉 3 l 2 伺 服柱塞位移 载荷柱塞位移 图 4 变量机构换向阀芯模型 图 5 变量机构伺服柱塞模型 1 ． 先导柱塞2 ． 换 向阀芯3 ， 4 ， 5 ， 7 ， 1 0 ． 销钉6 ． 连杆 8 ． 反馈拨叉9 ． 弹簧1 1 ． 伺服柱塞 图 6 负流量控制机构工作原理图 统 - 49- -- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 逆时针转动 ， 同时连杆 6绕销钉 5顺 时针转动从而 带动换向阀芯 2右移 ， 伺服柱塞无杆腔和液压泵 出 口相通 ， 柱塞右移同时使泵输出流量变小 ； 当P i 值 减小执行元件需要流量变大时调节过程相反， 伺服 柱塞左移 ， 泵的出口流量增大 。 先导柱塞为负流量控制的主要部件， 建立的仿 真模型如图 7 所示。 图 7 先导柱塞仿真模型 负流量控制机构 与交叉 功率控制机构共用 的 换向阀和伺服柱塞仿真模型在前面已经建立， 依据 图 8 所示 的双泵变量机构液压原理 ，利用 A ME S i m 软件建立起 的双联液压泵变量机构整体模型如 图 9所示 。 2 仿真模型参数设置 为了使仿真模型更加接近实际情况 ， 针对 国机 重工集团有限公司 Z G 3 2 1 0 9 C型挖掘机所用的液 压泵进行了参数测绘， 变量机构仿真模型的主要参 数如表 1 所示。模型 中液压泵的转速 、 双联液压泵 出口工作压力以及负流量的反馈压力等输入量为 Z G 3 2 1 0 9 C型挖掘机载荷谱试验数据， 仿真运行时 间为挖掘机一个工作循环 ， 时间间隔与整机试验采 样周期相 同为 0 ． 0 1 S 。 3 仿真模型的验证 1 ． 载荷柱塞2 ． 先导柱塞3 ． 换向阀芯4 ． 伺服柱塞5 ． 变量泵 1 ， 2 图 8 双联 液压泵液压原理 图 在 H型工作模式和 Ⅱ级土壤工况下 ， 挖掘机进 行挖掘作业，获取液压泵输入与输出参数载荷谱。 采集到的数据经过专用软件处理后， 相关参数以表 格形式导入到仿真模型中， 试验得到的流量数据可 以用来验证仿真模型的正确性。其双联液压泵输出 流量仿真结果与试验测得流量对比曲线如图 1 0和 一 5 O一 1 1所 不 。 从 图中可以看 出 ， 在相 同的工作条件下 ， 仿真 模型 中液压泵输 出流量与载荷谱试验 中所测得的 流量很接近， 从而验证了仿真模型的正确性。 4 挖掘机液压动力源能耗特性分析 在验证仿真模型正确性 的基础上 ， 通过对仿真 模型 的设置 ，研究挖掘机用液压泵在交叉功率控 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 先导柱塞2 ． 载荷柱塞3 ． 换向阀芯4 ． 伺服柱塞5 ． 变量泵 1 、 2 图9 双联液压泵变量机构仿真模型 表 1 变量机构主要参数表 名称 数值 载荷柱塞泵 1口大端直径 ／ m m 6 载荷柱塞泵 1口小端直径 ／ m m 5 ． 2 载荷柱塞泵 2口大端直径 ／ m m 5 ． 2 载荷柱塞泵 2 I／ 1 , 端直径 ／ m m 4 ． 2 5 载荷柱塞质量 ／ k g 0 ． 0 0 5 7 9 5 载荷柱塞大弹簧刚度 ／ N ／ m 7 O o o 0 载荷柱塞小弹簧刚度 ／ N ／ m l 1 5 3 3 3 大小弹簧间隙 ／ m m 2 先导柱塞直径 ／ m m 8 先导柱塞弹簧刚度 ／ N ／ m 2 1 2 5 0 先导柱塞质量 ／ k g 0 ．0 3 1 7 5 伺服柱塞大端直径 ／ mm 3 6 伺服柱塞小端直径 ／ mm 1 8 伺服柱塞质量 ／ k g 0 ． 5 5 制、 交叉功率加负流量控制模式下的能量消耗。图 l 2和 l 3为变量泵 I和变量泵 2在一个工作周期 中 输出功率变化 曲线 。 通过对曲线包围的面积计算， 得出挖掘机在交 叉功率控制模式下， 一个工作循环内， 变量泵 1 消 耗能量为 6 8 9 ． 1 4 1 k J ，变量泵 2的耗 能为 4 6 1 ． 7 2 2 k J 。 挖掘机在交叉功率控制 的基 础上增 加负流量 控制 ，一个工作循环 内，变量泵 1 耗能为 6 3 0 ． 8 2 6 k J ， 节能 8 ． 4 6 ％； 变 量泵 2耗能为 4 0 3 ． 3 7 6 k J ， 节能 1 2 ． 6 4 ％。具有明显的节能效果。 在 图 l 2中 0 ． 4 ～ 0 ． 9 S ， 8 ． 8 ～ 9 ． 5 s ， 1 4 ． 1 ～ 1 4 ． 5 S和 图 1 3中 8 ． 1 ～ 9 ． 5 S 、 1 2 ． 4 1 4 ． 6 S 的时间段 内，交叉功 率加负流量控制下泵的输出功率 曲线即为两泵负 流量控制本身需要消耗的功率， 这两段曲线分别与 时间轴之间所围面积为两泵负流量控制本身需要 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 窿 簪 0 2 4 6 8 1 O 1 2 l 4 时问／ s 图 1 O 变量泵 1 输出流量仿真与试验曲线 0 2 4 6 8 l 0 l 2 日 lf 阀， s 图 1 2 变量泵 1输出功率变化 曲线 l 4 消耗的能量 。由于负流量控制必须要有一定流量通 过节流孔来产生压力反馈信号， 所以增加负流量控 制后变量泵 l 和变量泵 2仍然存在 1 9 ．9 6 2 k J 和 1 5 ． 6 9 6 k J的能量损失。 5 结束语 1 应用专业液压仿真软件 A ME S i m在交叉功 率和负流量控制模式下， 依据实际测绘得到的参数 建立双联液压泵变量机构仿真模型， 是研究挖掘机 用液压泵性能较为合理的建模方法 。 2 通过挖掘机载荷谱试验验证了仿真模型的 正确性， 同时分析了交叉功率控制和负流量控制下 液压泵的能耗， 表明在交叉功率控制的基础上集成 负流量控制时， 变量泵 1 和变量泵 2可节约能量为 8 ．4 6 ％和 1 2 ． 6 4 ％， 具有良好的节能效果。 由于负流量 一 5 2一 趸 嘲 0 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 时 问／ s 图 1 1变量泵 2 输出流量仿真与试验曲线 0 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 时 l1l 】 ， s 图1 3 变量泵2输出功率变化曲线 控制 自身特性，双泵依然存在 1 9 ．9 6 2 k J 和 1 5 ．6 9 6 k J 的能量损失。 参考文献 [ 1 】王四新， 吴元道． 浅谈挖掘机的液压系统和元件【 J ] ． 液压 气动与密封． 2 0 0 0 2 2 7 2 8 ． [ 2 ] 方晓瑜 ， 赵宏强， 文国臣， 等． 基于 A M E S i m恒功率变量 泵的仿真研究阴． 工程设计学报， 2 0 1 1 6 4 3 7 4 4 3 ． 【 3 ]3 陈闻， 孙康． 负流量恒功率变量泵建模及系统特性分析 f J 1 ． 现代制造工程， 2 0 1 2 4 1 0 1 1 0 4 ． [ 4 ] 付永领 ，祁晓野．AM E S i m系统建模和仿真入门到 精通【 M ] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 2 3 2 6 ． 『 5 ] 史时喜， 王国志， 刘桓龙． 变量泵负流量控制特性分析『 J 1 ． 机械工程与自动化， 2 0 0 9 2 3 7 3 9 ． 通信地址 天津市北辰科技 园区华实道 9 1号 天津工程机械 研究院 3 0 0 4 0 9 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 5 ∞ ∞ ∞ O 2 2 l l ∞ ∞ ∞ 0 2 2 l l 舳 加 ∞ ∞ ∞ 加 m 0 瓣 加 ∞ 舯 ∞ ∞ 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m