基于功率键合图的负载敏感液压系统仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 { 努 rd ／ 20 1 6年 第 0 2期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ．2 0 1 6 ． 0 2 ．0 0 6 基于功率键合图的负载敏感液压系统仿真研究 高立龙， 李 涛 ， 孟岩斌 ， 马士友 防空兵学院导弹系， 河南 郑州 4 5 0 0 5 2 摘 要 针对负载敏感液压系统的结构特点 、 反馈机制和工作原理。该文利用功率键合图实现了对负载敏感液压系统的仿真实验， 揭 示了负载反馈机制的运行规律。仿真结果表明 负载敏感系统动态响应曲线与负载反馈机制相符合 ， 液压缸回油阻尼和负载速度是 影响系统稳定性的重要参数。 关键词 功率键合图； 负载敏感； 液压系统； 仿真研究 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 1 6 0 4 Th e S i mu l a t i o n Re s e a r c h o f Lo a d Se n s i t i v e Hy d r a u l i c S ys t e m Ba s e d o n P o we r Bo nd Gr a ph G AO L i l o n g , L I T a o ， M E NG Y a h b i n ， MA S h i - y o u Ai r D e f e n s e Ac a d e mZ h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e s t r u c t u r a l f e a t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c s y s t e m o f l o a d s e n s i t i v e f e e d b a c k me c h a n i s m． T h i s p a p e r , U S i n g p o we r b o n d g r a p h i mp l e me n t s t o s i mu l a t e h y d r a u l i c s y s t e m o f l o a d s e n s i t i v e f e e d b a c k me c h a n i s m，r e v e a l s t h e o p e r a t i o n l a w o f l o a d f e e d b a c k m e c h a n i s m． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e d y n a mi c r e s p o n s e c u r v e s o f l o a d s e n s i t i v e s y s t e m c o n s i s t e n t wi t h l o a d f e e d b a c k me c h a n i s m ， h y d r a u l i c c y l i n d e r o i l d a mp i n g a n d l o a d s p e e d i s t h e i mp o r t a n t p a r a me t e r s wh i c h i n fl u e n c e t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s p o we r b o n d gra p h ； l o a d s e n s i t i v e ； h y d r a u l i c s y s t e m； s i mu l a t i o n r e s e a r c h O 引言 所谓负载敏感I” ， 是指系统能自动地将负载所需压 力或流量变化的信号传递到敏感控制阀或泵变量控制 机构 的敏感腔 ， 通过变量泵 的变量控制系统控制泵排 量， 使泵仅输出与负载需要相等量的液压功率 压力与 流量 的乘积 ， 从而最大限度地减少 溢流损失 ， 实现节 能控制。负载敏感是个系统问题 ， 其技术要点主要在 于变量泵及相应的控制部分如何根据负载需求， 快速、 平稳和准确地实施实时变量操作拉 。 1 负载敏感液压系统 负载敏感 系统包括 负载敏感变量泵 、 负载检测反 馈系统、 方向控制阀及负载执行机构。如前所述， 负载 敏感变量泵可使泵的输出压力和流量自动适应负载需 求 ， 避免多余的溢流和压差损失， 从而较大幅度地提高 液压系统效率。由于负载敏感调速系统不仅能实现按 需供油 ， 同时也能按需供压 ， 因而是能量损失很小 的一 种调速方案。就应用对象和场合而言， 负载敏感变量 泵系统非常适用于负载压力较高、 调速范围较大的 系统。 负载敏感控制原理如图1 所示。 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 6 - 1 8 作者简介 高立龙 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东临沂人 ， 助教， 硕士， 主要从事机械 状态监测与故障诊断。 1 6 图 1 变量泵负载敏感控制原理图 负载敏感阀 L s 阀 5 在调节过程中位移很小 ， 弹 簧力变化不大。为简化分析， 可认为阀芯弹簧的设定 压力F 为定值。阀芯的力平衡方程为 Pb A F pl lAFF A pp ,, - p L - F s 式中 F 阀芯弹簧的设定压力； A 阀芯的有效作用面积 当阀芯弹簧的压力设定后 ， 负载敏感控制阀阀芯 在平衡位置时 △ p恒定 ， 与节流阀 2 的压差相等。当需 要提高负载速度时， 需增大节流阀2 的开度， 由于泵的 变量控制滞后 ， 当节流阀2 开度增大时， △ p 将减小， 则 p A p A F ， 此时负载敏感阀5 的阀芯将左移， B 、 O 口接通， 压力油进入变量油缸6 的右腔， 使变量泵的排 量增加， 则流过节流阀2 的负载流量增加， △ p 变大。经 过动态调整， 直至负载敏感阀5 的阀芯达到新的平衡， 从而实现了按需供应油量。 在该系统 中， 方 向阀对系统 的动态特性影响较小 ， 为简化系统分析， 将方向阀用可变液阻代替 ， 同时将系 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 01 6 统分为驱动部分和负载部分两个子系统。 驱动部分主要包括柱塞式变量泵 、 负载敏感阀 、 压 力切断阀及流量调节阀 实际工程系统中为方向控制 阀， 兼有流量调节功能 。负载部分由液压缸 、 负载及 回油阻尼组成 。 在图2 中， 通过检测负载压力并传送至负载敏感阀 来控制泵的输出压力 ， 使泵的输出压力仅比负载压力 高 出一定值 。该反馈过程从本质上说是一个正反馈控 制过程。一般说来 ， 正反馈系统会产生以下 问题 一 方面， 当工作机构负载不断增加时， 若无系统保 护 ， 泵输出压力会超过安全值。因此， 在负载敏感系统 中， 须通过溢流阀或压力切断阀来限定系统最大工作 压 力 。 目前 ， 一般是 采用如 图2 所 示的压力切 断阀的 方法 。 流 图 2 负载敏 感系统简化示意 图 另一方面， 从系统稳定性能考虑， 正反馈易使系统 发生振荡 ， 严重时会使系统产生不稳定问题。导致负 载敏感系统不稳定的另一个主要原因是 泵的变量控 制系统与负载之间可能会产生共振。因此， 在进行系 统设计时， 应通过仿真分析对系统的阻尼网络进行优 化 ， 以使系统能适应较宽的负载变化范围。 本文研究 的动态过程 为 在给定 的负载工况情 况 下 ， 通过改变流量调节 阀开度及 回油阻尼 的大小 ， 获取 并研 究泵输 出压力 、 负载速度 的动态变化过程及 其特 性 ， 并探讨系统稳定性的影响因素。 在构建负载敏感系统的功率键合图模型时， 为简 化系统分析 ， 作如下假设 1 压力切断阀仅起系统保护作用， 正常状态下不 影响系统的动态性能。因此， 构建模型时， 不考虑压力 切断 阀， 即假定系统不会超压。 2 未考虑负载压力反馈油路的压力传递特性。 3 在泵斜盘倾角变化时， 忽略斜盘对回位弹簧产 生的弯矩影响。 4 在变量泵的模型中， 描述斜盘转角变化的动态 响应时 ， 未考虑压力油通过柱塞作用在斜盘上力 的影 响。模型中用一阻性作用元近似代替。 基于上述假设和简化所建立的柱塞式变量泵仿真 模型经试验验证难免存在一定的稳态偏差 ， 但考虑到 所建变量泵模型主要用于以变量泵为动力源的各种泵 控系统的开发 如实现恒压力控制、 恒流量控制、 恒功 率控制、 负荷敏感系统、 L U D V系统以及各种复合控制 系统等 ， 而这些控制系统需要将压力或流量信号作为 反馈信号， 属于闭环控制系统。因此， 在一定程度上能 够抵消或减少由于仿真模型简化所带来的影响。本文 所建负载敏感系统功率键合图模型如图3 所示。 Se S e S f 卜 I 7 l_ 7 L 。 1 R 妻 图3 负载敏感液压系统功率键合图 变量泵的泵油部分用可调制转换器 M T F 表示， 其 控制信号来 自回位弹簧的位移 状态变量 ， 回位弹簧 的位移对应于变量机构 的斜盘倾角 ， 即对应变量泵的 排量。泵排 出的压力油经 0 结点分为_一部分 少量液压 油经 负载敏感 阀进入变量控制机构 ； 还有一部分进人 泵与方向控制阀之间的容腔， 用液容c 表示 ； 而大部分 压力油则经方 向阀进入液压缸做功。 2 模型参数定义 1 负载敏感泵模型参数 变量泵柱塞数 目 9 ； 柱塞面积 8 2 ． 2 3 1 0 m ； 柱塞 中心周 圆半径 4 8 ． 5 x 1 0 ～ m； 变量柱塞面积 2 4 0 x 1 0 1 T I 。 ； 变量柱塞 中心线到斜盘 回转 中心距离 5 0 x 1 0 ～ 1 1 1 ； 回位 弹簧预压力 8 0 0 N ； 回位弹簧弹性模量 8 ． 1 1 0 3 N ／ m； 负载敏感阀阀芯直径 5 x l O m； 阀芯质量 0 ． 0 1 k g ； 负载 敏感阀调节弹簧预压力 1 5 7 N； 弹簧弹性模量 8 ． 1 1 03 N／ m。 2 液压缸及负载参数 液压缸活塞直径 4 x l O m； 活塞杆直径 2 ． 2 5 x 1 0 1 7 液 压 气 动 与 密 J a - ／2o l 6年 第 0 2期 m； 负载质量 1 6 0 0 k g ； 液压缸回油调节阻尼 最大开度 时 ， 1 0 L ／ 0 ． 8 MP a 。 ’ 3 其他参数 方向控制阀 最大开口时2 0 L 压降0 ． 8 M P a ； 电动机 转速 1 4 8 7 r ／ m i n 。 4 方向控制阀开度设定 方向控制阀0 0 ． 3 s 处于关闭状态， 0 ． 3 s 后给定一 个一 8 m A的控制信号。 3 系统的动态仿真结果 根据所建立的负载敏感系统模型及确定的各参数 值 ， 利用功率键合 图建立模型并进行数值求解 ， 可获得 负载敏感系统的液压缸位移、 速度、 加速度 、 泵输出流 量、 泵输出压力及负载压力等物理量的动态变化曲线 ， 如图4 所示 。 O 0 6 00 4 曼 OO 2 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 l 0 0 t ／ s a 液压缸的位移变化曲线 2 0 ～ j 5 lc 10 O 一 5 O 1 2 0 0 8 乓 【 4 O - 0 t ／ s d 泵输出流量变化曲线 e 泵 出 哪压 力及 液压 缸 A腔 压力变 化 曲线 图4 负载敏感系统动态响应曲线 在图示的仿真所得动态曲线中， 0 一 O ．3 s 对应于泵 的准备工况， 0 - 3 ～1 ．0 s 则对应负载敏感作业工况的动 态变化情况。 由图4 d 泵输出流量变化曲线可以看出， 当方向控 制阀处于零位时， 变量泵排量几乎为零， 输出流量用于 补偿系统内部泄漏损失； 当方向阀处于不同开度时， 泵 输出与方向阀开度信号相对应的流量 ， 从而实现按需 供应流量 。由图4 e 泵出口压力及液压缸A腔压力变 1 8 化曲线可以得出 泵的出口压力仅比负载压力高出一 定压力值 等于L s 阀的调定压力 ， 在最高限压范围内 泵输出压力始终能 自动地适应负载的变化 ， 即泵始终 工作在与负载相匹配的状况。 仿真结果证实， 负载敏感系统的确可使泵的输出 压力和流量 自动地适应负载需求， 避免多余的溢流和 压差损失 ， 从而较大幅度地提高液压系统效率 ， 达到明 显 的节能效果 。 4 系统影响因素分析 1 液压缸 回油阻尼 液压缸回油阻尼开度信号分别取x 0 ．6 、 0 ．4 和O ．2 ， 相应 的液压缸速度变化曲线和泵出 口压力变化 曲线分 别如 图5 、 图6 所示 。 0 1 4 0 1 2 ．0 1 0 l们0 ． 0 8 要 0 ． 0 6 0 ． 0 4 0 ． 0 2 0 00 2 04 0 0 5 O O6 O 0 7 O 0 8 0 0 9 0 1 0 0 t ／ s 图5不同回油阻尼时液压缸速度变化曲线 04 0 06 0 0 8 O 1 0 0 t ／ s 图 6 不同 回油 阻尼时泵 出口压 力变化 曲线 从变化曲线可以看出， 与x 0 ．6 和x 0 ．4 相比， 当X ---- 0 ． 2 时 ， 系统经过 几次振荡趋 于恒定 ， 表 明系统 在该参 数条件下是稳定的。不管外负载如何变化 对应不同 的回油阻尼所模拟的负载 ， 只要换向阀开度不变 ， 速 度不变也就是流量 不变 ， 即实现 了变负载压力恒流量 控制 。同时可以看 出， 负载敏感系统的回油阻尼是影 响系统稳定性 的重要技术参数。 2 负载速度 通过流量调节阀调节 负载速度的改变是通过改变方向控制阀的开度来 实现的， 目的是研究速度对系统动态响应的影响。 分别取方 向控制阀的开度信号 S ---- 一 4 m A、 一 8 m A 和一 1 2 m A三种工况。液压缸速度变化曲线和泵出口 压力变化曲线分别如图7 、 图 8 所示。 下转第 1 4页 O 8 6 4 2 O B d