管路效应对挖掘机多路阀响应速度的影响.pdf

2 38 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 8期 2 0 1 5年 8月 管路效应对挖掘机 多路 阀响应速度的影响 郝前华， 朱连池， 谢常清 湖南人文科技学院 能源与机电工程系， 湖南 娄底4 1 7 0 0 0 摘要 为提高挖掘机操纵灵敏性， 对挖掘机多路阀先导控制系统进行了仿真研究， 考察了先导油管参数对多路阀响应 速度的影响。根据管路分布参数模型和液流连续性理论， 推导了多路阀先导控制系统基本方程， 并利用A ME S i m仿真平 台， 建立了多路阀先导控制系统仿真模型。 仿真结果与理论分析一致， 表明仿真模型是可信的。 研究结果显示挖掘机多路 阀先导控制系统中， 先导油管参数对多路阀响应速度有较大影响， 影响途径为阀芯控制腔的压力建立速度与压力大小。 为提高多路阀响应速度， 应尽量缩短先导油管长度， 同时选择合适管径。 关键词 管道效应； 液控多路阀； 响应速度 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 8 0 2 3 8 0 3 T h e E ff e c t o f Pi p e l i n e o n t h e Re s p o n s e Sp e e d o f E x c a v a t o r Mu l t i - Wa y Va l v e H AO Q i a n - h u a ， Z H U L i a n - c h i ， X I E C h a n g - q i n g S c h o o l o f E n e r g y ， Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， H u n a n U n i v e r s i t y o f H u m a n i t i e s ， S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy， H u n a n L o u d i 4 1 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i m p r o v e s e n s i t i v i t y o f e x c a v a t o r o p e r a t i o n ，t h e m u l t i - w a y v a l v e p i l o t c o n t r o l s t e m of e x c ava t o r i s s t u d i e d b y， n e of s i mu l at i o n T h e i n flu e n c e o ft h e p ip e l i n e ’ S p a r a m e t e r s o n t h e r e s p o n s e s p e e d of m u l t i _ 1 v a l v e i s a n a l y z e A c c o r d i n g t o t h e p i p e l i n e ’ d is t r i b u t e d p a r a m e t e r m o d e l a n d c o n t i n u i t y p r i n c ip l e offlu i d s fl o w， t h e b a s i c e q u at i o n s o f p i l o t c o n t r o l s y s t e m are b u i l t ． The s i mu l at i o n mod e l o f p i l o t c o n t r o l s t e m is e s t a b l is h e d i n A ME S i m． The s i mu l ati o n r e s u l t s are c o ns i s t e n t w i t h t h e o r e t ical a n aly s is，wh ich i n d i c ate s s i mu l ati o n mo d e l i s c r e d i b l e ．Th e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h at pi l o t p e ’ S c h ara c t e r is t ic s h ave g r e at e f f e c t s o n t h e r e s p o n s e s p e e d of m u l t i - w a y v a l v e a n d t h e i n flu e n c e w a y s a r e t h e s p e e d o f p r e s s u r e b u i l d i n g a w l p r e s s u r e v alu e ofthe v a l v e ’ s c o n t r o l c h a m b e r ． T o i m p r o v e r e s p o nse s p e e d o fmu l t i -wa y v alv e ， i t s h o u l d t r yt o s h o r t e nl e n g t hoft h e p i l o t p e ， and s e l e c t the a p p r o p r i ate d i a m e t e r ． Ke y W o r d s P i p e Effe c t ； M u l t i - - W a y Va l v e ； Re s p o n s e S p e e d 1引言 随着人们对挖掘机操纵灵敏性要求 的提高 ，管道效应对 多 路 阀阀芯响应速度的影响不容忽视 。根据 国内外文献报道 ， 从液 压系统角度探讨挖掘机操纵灵敏性的研究多集中在液压泵的变 量响应 ㈣、 液压阀的响应l引 、 液压泵一 阀的匹配 等方面， 而考虑管 道效应i6 - 7 ]的液压多路阀响应报道不多。挖掘机液压系统工作原 理， 如图 1 所示。主泵向执行油缸提供压力油， 驱动挖掘机工作装 置运动。 先导泵输出压力油， 经先导油管流人多路阀阀芯控制端， 控 制多路阀换向。 多路阀换向过程中， 阀芯响应速度越慢， 主泵经多路 阀旁通口流回油箱的流量则越大，由此流向油缸的流量则越小， 油 缸响应速度则越慢。同时， 多路阀旁通口流出的流量信号会通过负 流量检测阀反馈到主泵变量机构， 旁通口流量越大， 主泵排量则越 小， 从而使得驱动油缸起动速度更低。 显然， 多路阀阀芯的响应速度 影响挖掘机操纵灵敏陛。因此， 进一步分析挖掘机多路阀阀芯响应 速度的影响因素是有益的。 笔者在建立多路阀先导控制系统数学模 型的基础上 ， 利用 AM E S i m仿真平台探讨 了先导油管对 多路 阀阀 芯响应速度的影响， 为挖掘机液压系统的设计提供了重要参考。 2仿真数学模型的建立 如图 1 所示， 当操作挖掘机手柄使先导阀Ⅱ工作时， 先导压 力油将作用在多路阀阀芯的左端面， 阀芯将向右运动。 2 ． 1先导管路数学模型 挖掘机多路阀先导油管相对较长，因此采用分布参数对先 导油管进行建模目 ， 基本方程 日 下 P l s s c h F s Q s Z o s s h F s 1 Q Q s c h F s s l_s ， s 2 来稿 日期 2 0 1 5 一 O 1 3 0 基金项 目 湖南人文科技学院产学研合作引导项 目 2 0 1 4 C XY 0 5 ； 湖南人文科技学 院青年基金项 目 2 0 1 4 QN 0 8 “ 8 6 3 ” 国家高技术研究发展计划项 目 2 0 1 0 A A0 4 4 4 0 1 作者简介 郝前华 ， 1 9 8 7 一 ， 男 ， 湖南衡 阳人 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 向 机电液集成控制理论与技术 第 8 期 郝前华等 管路效应对挖掘机多路阀响应速度的影响 2 3 9 式中 P l s 、 Q 。 s 先导油管人口压力和流量的拉普拉斯变换 ； P 2 s 、 Q s 先导油管出口 即多路阀阀芯控制端 压力 和流量的拉普拉斯变换； ， s -- 7 s 卜传 播算子； s 厕_传播常数； Z o s 性阻抗． z ㈥ 一 串联阻抗； 为并联导纳。 1 ． 油箱 2 ． 过滤器 3 ． 主泵 4 ． 先导泵 5 ． 溢流 阀 6 ．先导阀 I 7 ． 先导阀 I I 8 ．液控多路阀 9 ． 油缸 1 O ． 负流量检测 阀 图 1挖掘机液压系统工作原理 F i g ． 1 S c h e ma t i c Di a g r a m o f E x c a v a t o r Hy d r a u l i c S y s t e m 2 _ 2阀芯控制端流量连续性方程及阀芯力平衡方程 1 流量连续性方程 Q 2 t1 - c iP 2 v 3 2 阀芯力平衡方程 若不考虑液动力的影响， 阀芯在两端压力、 弹簧力和阻尼力 下处于平衡。 P 2A m 糟 鲁 4 式中 一阀芯控制端流量， m ； A一阀芯端面作用面积 ， m ； 扩一 阀芯位移 ， m； c 广 _ 阀芯控制端泄漏系数 ， m3／ s P a ； 一阀 芯控制端压力 ， P a ； 一阀芯控制端与相连先导管路容积 ， m ； 油液有效体积弹性模量 ， P a ； ， 一阀芯质量， k g ； B 一 粘性阻尼系数 ， N n l ； 弹簧刚度， N I I l ； 单 簧预压 缩量 ， m。 对式 3 、 式 4 进行拉普拉斯变换有 Q 2 s ； A S X s P 2 s s 尸 2 s 5 A 只 s ‘ s B s x s s 6 2 ． 3阀芯运动方程 ￡ f v k d k 7 I a k d k 8 式中 一阀芯位移函数， m； t 一阀芯运动速度， r ； 0 f 一阀 芯运动加速度， m ／ s 。 联立式 2 、 式 5 和式 6 ， 并结合阀芯行程边界条件和式 7 、 式 8 ， 理论上可以得到阀芯的响应时间。但是， 对于式 1 和 式 2 中的串联阻抗 Z s 中含有非常复杂贝赛尔函数和双曲线函 数f l0 1 ， 直接解析求解的难度非常大。因此 ， 在上述理论分析的基础 上， 笔者利用 A ME S i m仿真平台， 建立挖掘机多路阀先导控制系 统仿真模型。 2 ． 4 A ME S i m仿真模型 A ME S i m软件基于功率键合图原理，是一种较先进的仿真 分析平台， 广泛应用于液压舰 械系统的建模、 仿真。在 A ME S i m 中建立多路阀先导控制系统仿真模型， 如图2所示。 在该模型中， 根据上述的分析 ，多路阀先导控制管路采用分布参数模型 HL 0 2 2 ， 该模型考虑了油液的压缩性、 管道的变形、 摩擦和油液的 惯性。在先导油管的两端各采用一个节流孔模型， 用于模拟先导 油管接头局部压力损失。仿真模型中， 使用二位二通电比例阀模 型 P V 0 2 2控制多路阀阀芯的运动。 图2多路阀先导控制 A M E S i m仿真模型 Fi g ．2 Th e Mo d e l o f Mu l t i Wa y Va l v e S p o o l S y s t e m o f AME S i m 3阀芯运动仿真分析 对多路阀先导控制系统进行仿真分析， 仿真参数， 如表 1 所 示。A M E S i m仿真模型中， 在 l s 时刻， 对二位二通电比例阀输入 一 个阶跃开启信号。 ’ 表 1多路阀先导控制 系统参数 Ta b ． 1 Mu lt i Wa y Va lv e Sp o o l S y s t e m Pa r a me t er s 参数 数值 参数 数值 阀芯质量， l 【 g 1 ． 1 先导泵排量／ c c 1 0 阀芯行程／ mm 1 0 绝对粘度 D 4 O ． 5 阀芯控制端有效作用面积／ m m 2 5 3 0 ．6 6 油液密度／ k g m。8 5 0 阀芯预压缩力／ N 2 0 9 ．2 油液体积弹性模量／ M P a 1 3 0 0 弹簧刚度／ N m - 1 3 2 9 3 5 先导泵转速， m i n 2 0 0 0 粘性阻尼系数／ N S m - 。8 5 0 0 溢流阀压力／ MP a 3 ．9 3 ． 1先导油管管径的影响 在管长为4的条件下， 选用不同管径的先导油管进行一系列 仿真。 管路参数取值， 如表 2 所示。阀芯的位移曲线， 如图3所示。 表 2液压管参数 Ta b ． 2 P ar a me t e r s o f H y d r a u l ic Pi p e 通过图 3的仿真结果可知，多路阀换 向过程中，管径为 7 ． 9 m m响应速度最快， 响应时间为0 ． 0 8 5 s ， 6 ． 3 m m次之， 响应时间 为 0 ．0 9 4 s ， 4 ． 8 mm最慢， 响应时间为 O ． 1 2 4 s ， 比管径为 7 ． 9 m m的平 均响应速度低 4 5 ．9 ％。位移曲线仿真结果表明， 阀芯响应速度随 2 4 0 机 械 设 计 与 制 造 No ． 8 Au g ． 2 01 5 管径增大而加快， 但管径增大至一定值后， 速度将变慢。 不同管径 下阀芯控制腔压力曲线， 如图4所示。从图4可知， 管径越小， 阀 芯控制腔压力建立速度越快。 然而， 管径越小， 管道沿程压力损失 和管道接头局部压力损失越大， 使得阀芯控制腔压力越低。在图 4中对各压力曲线积分得到阀芯运动过程中控制腔的平均压力 值， 其中管径为 7 ．9 m m时平均压力最大， 为 3 ． 8 8 3 M P a ， 6 ． 3 mm次 之， 为 3 ． 8 6 9 M P a ， 4 ． 8 mm最小， 为 3 ．8 1 1 MP a 。 仿真结果表明，管道参数的变化通过阀芯控制腔压力的建 立速度和压力大小两个因素直接影响阀芯的响应速度。 0 0． 0 o ． 庭 0 0 1 ． 0 0 1 ． 0 2 1 ．0 4 1 ． O 6 1 ． 0 8 1 ． 1 0 1 ． 1 2 t S 图 3不同管径下阀芯位移 曲线 F i g ． 3 Va l v e S p o o l Di s p l a c e me n t Un d e r Di f f e r e n t Pi l e Di a me t e r s t S 图 4不同管径下阀芯控制腔压力 曲线 F i g ． 4 C o n t r o l l e d Ch a mb e r Pr e s s u r e o f Va l v e Un d e r Di ff e r e n t P i l e Di a me t e r s 3 _2先导油管管长的影响 在管径为 6 ．3 m m的情况下， 分别选取管长为 1 ． 5 m、 2 ．5 m、 4 m 和 6 m的先导油管进行仿真。阀芯的运动位移仿真曲线，如图 5 所示 。 1 ． 0 0 1 0 2 1 ． 0 4 1 ．0 6 I ． 0 8 1 ． 1 0 1 ． 1 2 t S 图 5不同管长下阀芯位移曲线 F i g ．5 Va l v e S p o o l Di s p l a c e me nt Un d e r Di f f e r e n t P i l e L en g t h s 从图 5中位移曲线可知 ， 管长为 1 ． 5 m时， 响应速度最快， 响 应时间为 0 ．0 8 7 s ， 6 m最慢， 响应时间为 O ． 1 0 1 s 。仿真结果表明， 多 路阀阀芯响应速度随管长增加而降低。因为， 在其他条件相同的 情况下， 管长越长的先导油管由于管内油液容积大， 阀芯控制腔 压力建立速度越慢， 使得阀芯响应越慢。 另一方面， 管径越长使得 管道沿程压力损失变大， 导致阀芯控制腔压力值降低， 进一步降 低多路阀阀芯响应速度。 4结论 利用 A ME S i m仿真平台建立了挖掘机多路阀先导控制系统 仿真模型， 对先导油管应用分布参数子模型， 仿真结果与理论分 析一致， 表明仿真模型是可信的。 仿真结果表明， 挖掘机液压先导 控制系统中， 先导油管参数对多路阀响应速度有较大影响， 其影 响行为通过阀芯控制腔压力建立速度和压力大小两者体现。 先导 油管越长、 管径过小或过大都会导致多路阀响应变慢。为提高多 路阀响应速度， 应合理布局液压元件， 尽量缩短先导油管长度， 同 时选择合适管径。 渗 考文献 l 1 J E r g i n K i l i c ， Me l i k D o l e n ， H a k a nC a l i s k a n ．P r e s s u r e p r e d i c t i o n o n a v a r i a b l e s p e e d p u mp c o n t r o l l e d h y d r a u l i c s y s t e m u s i ng s t r u c t u r e d r e c u r r e n t n e u r a l n e t w o r k s [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e ri n g P r a c t i c e ， 2 0 1 4 2 6 5 1 - 7 1 ． [ 2 ] 莫有瑜负 载敏感泵的变量响应特性对挖掘机性能的影响[ J ] _机械研 究与应用 ， 2 0 1 1 3 9 6 9 8 ． Mo Y o u- y u ． T h e i m p a c t o f v a r i a b l e r e s p o n s e c h a r a c t e ris t i c s o f l o a d s e n s i t i v e p u mp o n e x c a v a t o r p e r f o r ma n c e l J J ． Me c h a n i c a l Re s e a r c h A p p l i c a t i o n ， 2 0 1 1 3 9 9 8 ． [ 3 ] X u B i n g， D i n gR u - q i ， Z h a n g J u n - h u i ． Mo d e l i n g a n d d y n a m i c c h a r a c t e r - i s t i c s a n a l y s i s o n a t hr e e s t a g e f a s t - r e s p o n s e a n d l a r g e - flo w d i r e c t i o n a l v a l v e [ J J ．E n e r g y C o n v e rs i o n a n d Ma n a g e m e n t ， 2 0 1 4 7 9 1 8 7 1 9 9 ． [ 4 ] 晋民杰， 范思岩， 范英． 伺服阀控马达系统仿真及 P I D参数优化[ J ] ．机 械设计 与制造 ， 2 0 1 5 4 2 0 2 2 0 5 ． J i n Mi n- j i e ， F a n S i _ y a n ， F a n Y i n g ． S i mu l a t i o n a n d P I D p a r a m e t e r o p t i mi z a t i o n f o r s e r v o v a l v e c o n t r o l l e d r o t a r y mo t o r s y s t e m[ J ] ． Ma c h i n e r y D e s i g nMa n u f a c t u r e ， 2 0 1 5 4 2 0 2 2 0 5 ． [ 5 ] 吴伟胜． 液压挖掘机正流量系统泵阀响应特性匹配性能研究[ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 1 4 ． Wu W e i - s h e n g ．R e s e a r c h o n p u mp a n d v a l v e ma t c h i n g c h ara c t e r i s t i c s o f e x c a v a t o r p o s i t i v e fl o w c o n t r o l s y s t e m[ D J ． C h a n g s h a ， C e n t r a l S o u t hU n i v e rsi t y ， 2 0 1 4 ． [ 6 ] 璩金超 ， 王旭永， 代勇． 无磁液压马达伺服系统的长管道效应[ J ] ． 上海 交通大学学报 ， 2 0 1 2 ， 4 6 2 1 8 4 1 8 9 ． Q u J i n - c h a o ， Wa n g X u - y o n g ， D a i Yo n g ．Re s e a r c h o n l o n g p i p e e c t s o f n o n m a g n e t i c h y d r a u l i c m o t o r s e r v o s y s t e m[ J ] ．J o u r n a l o f S h ang h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， 2 0 1 2 ， 4 6 2 1 8 4 1 8 9 ． [ ， ] 周恩涛， 周士昌， 廖生行． 管道效应对电液比例位置控制系统稳定性的 影 响[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 2 4 5 4 6 0 - - 4 6 3 ． Z h o u En t an ， Zh o u S h i c h a n g， Li a o S h e n g h a n g ．Ef f e c t o f p i p e l i n e o n s t a b i l i t y o f e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o r t i o n al p o s i t i o n c o n t r o l s y s t e m [ J ] ． J o u - rna l o f No rt h e a s t e r nU n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 0 3 ， 2 4 5 4 6 0 - 4 6 3 ． [ 8 ] 孔跷武．考虑管路效应的负载敏感泵动态特性分析[ J ] ． 工程设计学报 ， 2 0 0 5 ， 1 2 4 2 1 9 2 2 2 ． Ko n g Xi a o - wu ． Dy n am i c o f l o a d s e n s i n g p u mp wi t h p i p e e f f e c t c o n s i d- e r e d [ J ] ．J o u rnalo f E n g i n e e ri n g D e s i g n ， 2 0 0 5 ， 1 2 4 2 1 9 - 2 2 2 ． [ 9 ] 谢敬华． 盾构液压系统流固耦合长管道效应研究[ D ] ．长沙 中南大学， 2 01 4 ． X i e J i n g h u a ． L o n g p i p e l i n e e f f e c t o f t h e s h i e l d m a c h i n e b a s e d o n fl u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n [ D ] ． C h a n g s h a C e n t r alS o u t h U n i v e r s i t y ， 2 0 1 4 ． [ 1 0 ] 阮晓芳． 带长管道阀控系统的动态特性研究[ D] ． 杭州 浙江大学， 2 o 03 ． R u an X i a o - f a n g ．S t u d y o n d y n am i c c h a r a c t e ri s t i c s o f v a l v e c o n t rol h y d r a u l i c s y s t e mw i t h l o n g p i p e l i n e [ D] ．Ha n g z h o u Z h e j i a n g U n i v e rsit y ， 2 0 0 3 ． 。。 Ⅷ 屡 。。