基于AMESim的負(fù)荷傳感與LUDV液壓系統(tǒng)的仿真研究

1、基于 AMESim 的負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng)的仿真研究李萌,蔡文遠(yuǎn)(北汽福田汽車股份有限公司,北京 102206摘要:本文介紹了負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng), 分析了在單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)時負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng)的工作特點,并在此基礎(chǔ)上建立了負(fù)荷傳感變量泵、負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)與 LUDV 液 壓系統(tǒng)的 AMESim 模型,進(jìn)行了仿真分析。關(guān)鍵詞:負(fù)荷傳感; LUDV ; AMESim ;仿真前言負(fù)荷傳感技術(shù)因其高效節(jié)能的特點,被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、礦山機(jī)械等領(lǐng)域。工作中, 負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)能實時地將負(fù)載的壓力信號反饋給負(fù)荷傳感變量泵,變量泵根據(jù)壓力信號 進(jìn)行實時的調(diào)節(jié)自身的流量和壓力

2、,使之與負(fù)載需求相適應(yīng),滿足負(fù)載的需要,這極大地減 少了功率損失。同時,當(dāng)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時工作時,負(fù)荷傳感多路閥采用了壓力補(bǔ)償技術(shù),通 過控制多路閥的開度來控制各執(zhí)行器的速度,而與各執(zhí)行器的負(fù)載沒有關(guān)系,大大提高了工 程車輛的可操作性。在負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)中,當(dāng)多執(zhí)行器同時工作時,如果各執(zhí)行器的總流量需求大于泵的 最大輸出流量,會使系統(tǒng)失去復(fù)合動作的能力,而 LUDV 液壓系統(tǒng)則很好的解決了這樣的問 題。1 負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng)負(fù)荷傳感 (LS與 LUDV 液壓系統(tǒng)一般為單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作,它們的構(gòu)成一般有負(fù)荷傳 感變量泵、壓力補(bǔ)償閥、梭閥等。它們的原理圖見圖 1和圖 2 。它們最大的特

3、點就是系統(tǒng)的 輸出流量與負(fù)載沒有關(guān)系,而只與閥口開度成正比,下面對這兩個系統(tǒng)的特點分別說明。圖 1為負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)的原理圖。由圖可知,負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)的壓力補(bǔ)償閥為一定 差減壓閥,它與多路閥組成了一個調(diào)速閥。根據(jù)伯努力流量方程P AC Q d =2式中:Q 流量, s m /3;d C 流量系數(shù);A 閥的開口面積, 2m ;P 多路閥口前后壓差, Pa ; 液體密度, 3/m Kg 。由公式可知, 系統(tǒng)的 和 d C 一般為定值, 那么流量只與 A 和 P 有關(guān)。 如果 P 為一定植, 則系統(tǒng)流量 Q 與閥的開口面積 A 成正比,閥口開度增大,流量增大,閥口開度減小,流量減 小,與負(fù)載沒有關(guān)

4、系。由原理圖可知, P 其實就是壓力補(bǔ)償閥設(shè)定的壓力,為一定值。這樣系統(tǒng)的流量只與閥 口的開度大小成正比,而與負(fù)載無關(guān)。通過對系統(tǒng)原理圖的分析還可以得知,如果工作系統(tǒng)需求的流量超過泵供油能力的極限 時,最高負(fù)荷回路上的執(zhí)行元件速度會迅速降低甚至停止,壓力油大部分或全部流向低負(fù)載 執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而使工作機(jī)構(gòu)失去復(fù)合動作的協(xié)調(diào)能力。2.2 LUDV液壓系統(tǒng)圖 1 LS液壓系統(tǒng)原理圖 圖 2 LUDV液壓系統(tǒng)原理圖 負(fù)荷傳感變量泵壓力補(bǔ)償器 多路閥開口梭閥負(fù)荷傳感變量泵壓力補(bǔ)償器 多路閥開口梭閥從上面系統(tǒng)的原理圖可知,負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)是閥前壓力補(bǔ)償, LUDV 液壓系統(tǒng)是閥后 壓力補(bǔ)償,負(fù)荷傳感液壓系

5、統(tǒng)的壓力補(bǔ)償閥是基于定差減壓閥,而 LUDV 液壓系統(tǒng)的壓力補(bǔ) 償是基于比例溢流閥。LUDV 液壓系統(tǒng)中,根據(jù)壓力補(bǔ)償閥的受力平衡可以得到如下的關(guān)系式:m o P P P +=式中:o P 多路閥出口壓力, Pa ;P 壓力補(bǔ)償閥彈簧的設(shè)定產(chǎn)生的開啟壓力, Pa ;m P 梭閥輸出的最高壓力, Pa 。則多路閥的前后壓差 o p P P P =式中 p P 泵的出口壓力, Pa 。根據(jù)負(fù)荷傳感泵的特點可知ls m p P P P +=式中 ls P 變量泵中負(fù)荷敏感閥的壓力設(shè)定值, Pa 。則 P P P ls =由于 ls P 和 P 都是定值,則多路閥的前后壓差 P 為定值。這種控制形式與

6、泵的流量飽和與否沒有關(guān)系,流向各支路執(zhí)行器的流量只與其控制閥的 開口度成正比。如果泵能提供的最大流量小于各執(zhí)行器需求流量的總和,則流向各支路的流 量以泵的最大流量為基礎(chǔ),按照各支路控制閥的開口度成正比例分配,不會使各執(zhí)行機(jī)構(gòu)失 去復(fù)合動作的協(xié)調(diào)能力。3 AMESim系統(tǒng)建模與仿真AMESim (Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering是世 界著名的工程系統(tǒng)高級建模與仿真平臺,它提供了一個系統(tǒng)級工程設(shè)計的完整平臺,使得用 戶可以在單一的平臺上建立復(fù)雜的一維多學(xué)科領(lǐng)域的機(jī)電液一體化系統(tǒng)模型,并在此基礎(chǔ)上

7、 進(jìn)行仿真計算和深入的分析。AMESim 采用物理模型的圖形化建模方式,軟件中提供了豐富的應(yīng)用元件庫,用戶可以 采用基本元素法按照實際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型,從而使用戶從繁瑣的數(shù)學(xué)建模中解放出來,而將更多的精力投入到實際物理模型本身的研究。其應(yīng)用領(lǐng)域包括:燃料噴射系統(tǒng);懸掛系統(tǒng);車輛動力學(xué);制動系統(tǒng);潤滑系統(tǒng);動力操縱系統(tǒng);冷卻系統(tǒng);傳動系統(tǒng);變量閥壓力脈動;液壓元件;閥/管路;系統(tǒng)控制;液壓回路;機(jī)械系統(tǒng)等。AMESim 有 40多個應(yīng)用庫,本文應(yīng)用了其中的液壓庫、 HCD 庫、機(jī)械庫、信號庫等建 立了系統(tǒng)的模型,并進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)負(fù)荷傳感變量泵原理圖,搭建了變量泵的模型,并

8、設(shè)置模型各個模塊相應(yīng)的參數(shù), 使負(fù)荷傳感變量泵的基本參數(shù)為:排量為 100r cm /3, LS P 為 24bar ,容積效率 為 0.98,切 斷壓力為 254bar 。如下圖 3為負(fù)荷傳感變量泵的 AMESim 模型。 AMESim 有一個超級元件(super component的功能,可以把復(fù)雜的系統(tǒng)封裝,用一個 簡單的圖標(biāo)來代替,圖標(biāo)放在自己定義的應(yīng)用庫中,可以方便的取用。圖 4便為封裝后的變 量泵模型,簡單直觀。搭建如下圖 5簡單的系統(tǒng),驗證變量泵的模型的正確性。下列系統(tǒng)各元件的基本參數(shù)為:電機(jī)轉(zhuǎn)速 2000r/min, 變量節(jié)流口直徑為 8mm , 控制信號 10s 使節(jié)流口面積

9、從最大變?yōu)?0, 10s 到 15s 保持 0;節(jié)流口的直徑 4設(shè)置為 5mm 。仿真時間 為 15s ,通訊間隔為 0.01s 。泵輸出流量的仿真結(jié)果見圖 6。節(jié)流口兩端的壓差 24bar ,見圖 7。經(jīng)分析,仿真結(jié)果與預(yù)期一致,變量泵模型正確。圖 3 變量泵模型 圖 4 封裝后變量泵模型 3.2 負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng)建模與仿真根據(jù)原理圖搭建負(fù)荷傳感與 LUDV 液壓系統(tǒng)的 AMESim 模型,見圖 8和圖 9。對于負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng), 設(shè)置參數(shù)如下:可變節(jié)流閥 1和可變節(jié)流閥 2的最大通徑為 5mm ; 控制信號 1在 0 1秒內(nèi)的值為 0.5, 1 5秒內(nèi)的值為 1;控制信號 2

10、在 0 1秒的值為 0, 1 3秒為 0.8, 3 5秒為 1; 壓力補(bǔ)償閥 1和壓力補(bǔ)償閥 2的 P為 10bar ; 負(fù)載 1為 100000N , 負(fù)載 2為 300000N ;流量系數(shù) 0.7;仿真時間 5秒,通訊間隔 0.01秒?，F(xiàn)在計算一下在兩個節(jié)流閥都完全打開的情況下,系統(tǒng)能正常工作的飽和流量是多大, 按此可以計算出給系統(tǒng)提供飽和流量時,泵的最低轉(zhuǎn)速。據(jù)公式 PA C Q d = 2圖 5 圖 6 流量曲線 圖 7 節(jié)流閥口前后壓力按照給定的已知條件可得 Q=80L/min，則泵的轉(zhuǎn)速為 = 80 817r / min 。 100 *10 3 * 0.98 把電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別設(shè)為

11、1500r/min、500r/min、100r/min，做三次仿真，分析結(jié)果。 對于 LUDV 液壓系統(tǒng)，設(shè)置壓力補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)，使節(jié)流閥前后的壓差 P 為 10bar，與 負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)一致，其余參數(shù)設(shè)置與負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置一致，進(jìn)行仿真分析， 其結(jié)果與負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)相比較，進(jìn)行分析。 負(fù)載 1 負(fù)載 2 節(jié)流閥 1 控制信號 1 節(jié)流閥 2 控制信號 2 壓力補(bǔ)償閥 1 壓力補(bǔ)償閥 2 圖8 LS 液壓系統(tǒng)仿真模型 負(fù)載 1 負(fù)載 2 壓力補(bǔ)償閥 2 壓力補(bǔ)償閥 1 節(jié)流閥 1 控制信號 1 節(jié)流閥 2 控制信號 2 圖9 LUDV 液壓系統(tǒng)仿真模型 -6- 仿真結(jié)果見圖 10

12、 圖 13。 圖 10 負(fù)荷傳感液壓系 統(tǒng)節(jié)流閥 1 的流量 圖 11 負(fù)荷傳感液壓 系統(tǒng)節(jié)流閥 2 的流量 圖 12 LUDV 液壓系 統(tǒng)節(jié)流閥 1 的流量 圖 13 LUDV 液壓 系統(tǒng)節(jié)流閥 2 的流量 下面對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1500r/min 時，變量泵能提供足夠的流量，負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)與 LUDV 液 壓系統(tǒng)的兩個支路的節(jié)流口的流量在仿真的三個階段的數(shù)值見下表： 表1 1500r/min 時，負(fù)荷傳感系統(tǒng)仿真結(jié)果 01s 節(jié)流口 1 流量 （L/min） 節(jié)流口 2 流量 （L/min） 13s 40 32 35s 40 39.9 20 0 -7- 表2 1500r

13、/min 時，LUDV 系統(tǒng)仿真結(jié)果 01s 節(jié)流口 1 流量 （L/min） 節(jié)流口 2 流量 （L/min） 13s 39.5 31.5 35s 39.4 39.2 20 0 從表中看到，當(dāng)流量足夠時，負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)與 LUDV 液壓系統(tǒng)基本沒有什么區(qū)別， 且通過節(jié)流口的流量與節(jié)流口的開度大小成正比。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 500r/min 時， 負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)與 LUDV 液壓系統(tǒng)的兩個支路的節(jié)流口 的流量在仿真的三個階段的數(shù)值見下表： 表3 500r/min 時，負(fù)荷傳感系統(tǒng)仿真結(jié)果 01s 節(jié)流口 1 流量 （L/min） 節(jié)流口 2 流量 （L/min） 表4 13s 40 9 35s

14、 40 9 20 0 500r/min 時，LUDV 系統(tǒng)仿真結(jié)果 01s 節(jié)流口 1 流量 （L/min） 節(jié)流口 2 流量 （L/min） 13s 27.3 21.7 35s 24.6 24.4 19.8 0 電機(jī)轉(zhuǎn)速 500r/min 時， 當(dāng)兩節(jié)流閥同時開到最大時， 泵提供的流量已不能滿足系統(tǒng)需要， 由于負(fù)荷傳感系統(tǒng)支路 1 的負(fù)載小于支路 2 的負(fù)載，所以流量優(yōu)先得到滿足。而同樣條件的 LUDV 液壓系統(tǒng)，流過節(jié)流口 1 和節(jié)流口 2 的流量仍然與它們的開口度的大小成正比，與負(fù) 載沒有關(guān)系。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 100r/min 時，泵提供的流量嚴(yán)重不足，由圖 11 可知，負(fù)荷傳感液壓支路

15、 2 的流量幾乎為零，液壓油全部流向低負(fù)載的支路 1。而 LUDV 液壓系統(tǒng)的流量依然按照各支 路節(jié)流口開度大小進(jìn)行正比例分配。 4 結(jié)論 本文介紹了負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)以及 LUDV 液壓系統(tǒng)，分析了它們的共同點以及區(qū)別， LUDV 液壓系統(tǒng)是與負(fù)載壓力無關(guān)的流量分配系統(tǒng)，在單泵多執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)中，各支路的流 量分配除了與各支路的負(fù)載壓力無關(guān)外，還與泵所能提供的最大流量沒有關(guān)系，只與控制各 支路的多路閥的開度有關(guān)，這樣在多執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合動作時，不會因為泵的流量不足而失 去復(fù)合動作的協(xié)調(diào)能力。 本文簡要介紹了 AMESim 的功能，建立了負(fù)荷傳感泵、負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)、LUDV 液壓 -8- 系統(tǒng)的 AMESim 模型，對負(fù)荷傳感泵進(jìn)行了超級模塊封裝，并對系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真。通過 對仿真結(jié)果的詳細(xì)分析，驗證了負(fù)荷傳感變量泵、