基于AMESim的正流量挖掘机恒功率泵模型分析.pdf

第5 2 卷第2 期 V 0 1 5 2N o 2 农业装备与车辆工程 A G R I C U I J T U R A LE Q U I P M E N T V E H I cI 正E N G I N E E R I N G 2 0 1 4 年2 月 F e b r u a w2 0 1 4 d o i 1 0 3 9 6 9 巧 is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 4 0 2 0 1 1 基于A M E S im 的正流量挖掘机恒功率泵模型分析 丁波 王玉林 张鲁邹 2 6 6 0 7 1 山东省青岛市青岛大学机电工程学院液压研究所 摘要 为了研究正流量挖掘机液压系统特性 以某型号挖掘机液压系统作为研究对象 利用A M E S im 软件搭 建挖掘机恒功率泵整体仿真模型 通过设置不同的活塞缸反馈力 锝出对于系统响应时闻的影响 通过设置不 同的泵调节信号 得出液压泵不同工况下的恒功率工作能力 通过设置不同的恒功率工作点 分析系统可调节 能力大小 泵的恒功率特性为液压系统的研究提供了重要参考 关键词 恒功率 液压系统 A M E s im 仿真分析 中图分类号 7 r P 3 9 1 9 2 S 2 2 2 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 4 胆一0 0 4 1 0 3 S im l l l a t io no fC o 璐t a n t p o w e rn l m po fP o s it iv e n o wE x 姐v a t o rB 躐do nA M E s im D in gB o W a n gY u l in Z h a n gL u z 叫 co e g eo fM e ch a I l ica l 蚰dE l e ct r o I l icE 崎n e e r in g Q in g d a oU n iV e r s it y Q in g d a oC it y S h a n d o n gP m V in ce2 6 6 0 7 1 C h in a A b s t 嘲ct I b8 t u d yt h ech 啪ct e r is t icso fh y d L a u l ics y s t e m o fp o s it iv eco n t I u l l e de x ca V a t o r am o d e Io f p o s it iv eco n t r D l l e de x ca v a t o rist a k e n 鹊t l l er e s e a r cho b j e ct U s in gt l es o f t w a r eA M E S im co n s t a n t p o w e rp u m pm o d e l sa r ee s t a b l is h e d T h m u g ht h es e t o fd i b r e n tf e e d b a ckf o r ceb yv a r ia b l ep o s it io n t h eim p a cto ft h ea ctt im eo ft h es y s t e misg o t T h m u g ht h es e to fd i饪b r e n tin p u t s ig l l a l s t h ew o r k in ga b il it yo fd if f b r e n t 叩e r a t in ga 1 1 dw o r k in gco n d it i仰sisg o t 卟m u g I lt I l es e to fd if f e r e n tw u r k in gp o in t s t l l e a d j u s t m e n t0 ft h es y s t e mt och 锄g e a b l ew o r k in gco n d it io n sisa n a l y z e d T h ech a r a ct e r is t ic o fco n s t a n tp o w e ro ft h ep u m pp r o v id e s a nim p o r t a n tr e f 宅r e n cef o rr e s e a r cho fh y d r a u l ics y s t e minf u m r e K e yw o r d s co n s t a n 卜p o w e rp u m p h y d r a u l ics y s t e m A M E S im s im u l a t io na n a l y s is 0引言 恒功率变量泵可以保证在主机的工作过程中 充分吸收发动机功率 使得挖掘机在特定工况下 泵的输出功率既能满足负载要求 又能避免能源 浪费 防止发生过载 从而提高挖掘机的工作效 率 目前恒功率变量泵已经被广泛应用到挖掘机 冶炼机床设备以及船舶甲板机械设备等领域 因 此 对于恒功率变量泵的动态调节特性的分析具 有很大的意义 本文将以力士乐某型号正流量挖 掘机恒功率泵为基础建立数学模型 对变量泵的 调节方法和控制特性进行仿真分析 并改善其动 态响应特性 由于L M S 公司的A m e 8 im 软件在液 压建模上的巨大优越性 本文将采用A m e s im 软 件建立恒功率泵模型进行研究 1A M E S im 简介 A M E S im A d v a n ce dM o d e l in gE n v ir D n m e n tf o r p e 山咖in gS im u l a t io no fe n g in e e r in gs y s t e m s 是法 收稿日期 2 0 1 3 一1 2 一l O 修回日期 2 0 1 3 一1 2 1 9 国I m a g in e 公司在推出的多学科领域复杂系统建 模仿真平台 可以在此基础上进行仿真计算和深 入分析 也可以在平台上研究任何元件或系统的 稳定性 A M E S im 采用图形化物理建模方式 而不 需要书写程序代码 并且具有强大的二次开发功 能 为流体 机械 控制 电磁等工程系统提供了一 个十分完善的综合仿真环境和解决方案 1 2正流量恒功率控制原理 2 1 正流量控制原理 正流量控制系统是力士乐公司2 0 世纪8 0 年 代的技术 正流量控制的目的是为了以容积调速 代替定量系统中的节流调速 以提高系统效率 正 流量控制系统的主要特点是操纵手柄的先导压力 不仅控制换向阀 还用来调节泵的排量 当执行元 件不工作时 油泵上没有先导压力 斜盘摆角最 小 油泵只输出少量的备用流量 操纵先导手柄 则液压先导油路中建立起与手柄偏转量成比例的 压力来控制换向阀阀芯的位移和泵的排量 油泵 的流量和由此产生的执行元件的工作速度与先导 4 2 农业装备与车辆工程 2 0 1 4 年 压力 控制压力成正比 引 正流量控制液压系统简图如图1 所示 为简 化问题 图中只画出了一个油路 并采用二位四通 阀A 1 实际中正流量控制系统一般采用三位六通 阀 并应有多个回路 比如动臂回路 铲斗回路 回 转回路等 此简化系统为进油节流和旁通油路节 流复合应用 滑阀的位置由先导油路控制 当滑阀 A 1 处于中位时 左侧阀口完全关闭 右侧阀口完 全打开 主泵排出的油均由旁通油路流向了下一 执行机构 3 当有先导控制信号只输入时 先导控 制压力控制滑阀左移 滑阀A l 左侧阀口打开 右 侧阀口逐渐变小至闭合 主泵排出的油流经执行 机构 由执行机构回油 同时 只控制主泵斜盘转 角增加 泵排量增加 圈1 正漉量控瓴原理图 F 毡 1s ch e m a t 沁d b g 旧mo fp m V 争啪n t m e ds y s t e m 正流量液压系统控制思想 不采用负流量系 统中依靠回油压力作为对主泵排量的控制方式 而是直接采用先导压力控制主泵排量 先导压力 同时并联控制系统流量的供给元件和需求元件 从而克服了负流量系统中中间环节过多 响应时 间过长的问题 合理配置主阀对先导压力的响应 时间和主泵对先导压力的响应时间 从理论上可 以实现流量供给对主阀流量需求的无延时响应 实现系统流量 所得即所需 2 2 恒功率控制原理 恒功率控制泵是挖掘机液压系统中节能效率 的关键元件 使得挖掘机在各种工况中能够有效 地减少功率的浪费 4 恒功率泵的压力流量复合 控制原理如图2 所示 图中 横坐标为泵的工作压力 纵坐标为泵的 输出流量 D A 段泵处于恒流量工作阶段 这一阶 段泵在不同的工作压力下都基本保持出口流量的 恒定 AC 段是挖掘机液压系统中恒功率控制阶 段 分别为最小功率曲线和最大功率曲线 图中最 静态工作曲线 最大功率曲线 O5 01 0 01 5 02 0 02 5 02 8 03 0 0 工作压力P b 圈2 某型号正流 恒功翠泵爵态工作曲线示意圈 F ig 2P e s s u r e f l O ws t a t 沁w O 喇n gcu r V eO f p m V 争 cO n t I I e d n S 协m p O w e rp u m p 小功率曲线用两条斜率不同的直线在近似模拟恒 功率二次曲线 最大功率曲线用三条斜率不同的 直线来拟合 A 点是恒功率起调点 当工作压力不 断提高时 泵的压力一流量工作点可在图中阴影部 分区域 5 I 3 仿真分析 3 1 建立正流量恒功率泵逻辑模型 某型号挖掘机出口溢流压力设定为3 2M P a 流量值为2 0 2L 商n 泵的最大输出功率尸印 Q 6 0 1 0 7k w 为了便于计算 重新定义一个新的功 率单位为M P a L I I l in 即功率P 64 2 0M P a L I I l in 下面定义参数以及建立逻辑模型 Q 蒯 只 1 式中 a 主油路流量对先导控制油路流量的 增益 Q z 正流量控制流量 只 m a x R 是先 导油路流量 i表示当泵为多个回路供油时 取控 制流量的最大值 p f j f 只 R 2 式中 Q r 恒功率控制流量 P 广一恒功率工作 点 R 一负载压力 正流量控制功率踞Q z R 当伤 R 时 G R 否则G 用A M E S im 建立正流量泵模型 如 图3 3 2 参数设置 为了便于观察泵模型在大小不同的输入信号 下的恒功率特性 我们采用r 锄p 正比例信号输 入 为了一次性得到模型在不同负载压力下的响 应特性 我们使用阶跃信号输入 外部变量参数设 第5 2 卷第2 期丁波等 基于A M E s im 的正流量挖掘机恒功率泵模型分析 4 3 图3 某型号正流量恒功率逻辑泵模型图 F j g 3M O d e IO ft h e o r a t ica Ip O s it iV e cO n l r O e dcO n s t a n t p O w e r p u m p 定 溢流压力3 2M P a 活塞杆直径1 2m m 无杆腔 直径2 5m m 缸体长度5 0 0m m 因负载采用了阶跃信号 负载端使用弹簧阻 尼系统 以减小由于负载压力变化而引起的液压 系统震动 增强液压系统的稳定性 3 3 仿真分析 控制信号采用姗p 信号输入 在阶跃负载下 对该系统进行仿真分析 得到的结果如图4 一图7 图4 为负载端质量块移动的位移 时间图像 由于设定的r 锄p 控制信号随时间成正比例递增 流 量加大 质量块移动速度不断增大 图7 即为负载端 流量图线 图5 图6 分别为泵出口段的流量与压力 曲线 流量受r 锄p 信号控制 不断加大 输出压力随 负载而变化 对这两组图线进行取值 见表1 051 01 52 02 5 时间 s 图4 负载端质量块位移图像 F ig 4D is p I a ce m e n tO fI o a dm a s s 051 01 52 02 53 0 时间 s 图5 泵出口流量及溢流流量图 F ig 5F I O wr a t eO fp u m pa n dm a inr e I ie fV a I V e O51 01 52 02 53 0 时间 s 图6 泵的输出压力图 F ig 6O u l p u tp r e s s u r eO fp u m p U l Ul 2 U2 j U 时间 s 图7 负载端缸体流量图 F ig 7F I O wr a l eO fI O a dcy n d e rb I O ck 表1 泵的输入功率 T a b 1W o r k j n gp o w e ro fp u m p 由此得到 该模型的先导信号对于主控阀芯 开闭可调 并对于泵的输出流量可调 输出压力随 负载变化 满足正流量挖掘机液压系统建模中对 于正流量恒功率控制的需求 参考文献 1 张凤山 静永臣 加藤汽车起重机结构与维修手册 M 北京 机械工业出版社 2 0 1 2 2 黄新年 张志生 陈忠强 负裁敏感技术在液压系统中的应用 J 流体传动与控制 2 0 0 r 7 5 2 8 3 0 3 付永领 齐海涛 A M E s im 系统建模和仿真实例教程 北京 航 空航天大学出版社 2 0 0 6 4 王炎 液压挖掘机负荷传感系统的仿真研究及节能分析 D 中南大学 2 0 0 9 5 S 岫G 1 1 b e r 学e rM D y I l a l n ic瞅l p o I 玛鹪o fh y