劉金剛,唐文斌,鄭少青,祝建仁,李少云
(湘潭大學機械工程學院,湖南 湘 潭 4 11105)
隨著科技的進步,計算機及一些仿真軟件的出現,模擬仿真已成為設計制造的第一步,仿真結果對設計制造具有重要的指導意義。隨著我國液壓挖掘機迅速發展,很多學者對挖掘機液壓系統進行了仿真研究[1~3],但是文獻中的仿真模型,都是選用定量泵模型代替變量泵模型。目前定量泵在挖掘機液壓系統中已經被淘汰,對定量泵挖掘機系統的仿真,不能滿足對目前挖掘機系統的研究,其仿真結果也沒有太大的參考價值。
也有很多學者詳細地分析和研究了液壓變量泵,根據變量泵的幾何參數,搭建了復雜的仿真模型[4~5],這種建模方法復雜,且仿真結果與實際有一定的誤差,因此對挖掘機液壓系統研究時,這種方法也不可取。
考慮上述兩種情況,本文提出了一種新的變量泵建模方法——根據泵的實驗數據和控制方式建模,該建模方法簡單,仿真結果與實驗數據吻合。本文討論的的變量泵模型具有恒功率控制、負流量控制、壓力切斷控制功能[6],與挖掘機實際控制方式相符,為液壓挖掘機系統仿真分析提供了有效的幫助。
本文研究液壓挖掘機的變量泵,具有恒功率控制、負流量控制、壓力切斷控制功能,在挖掘機工作時,3種控制系統是相互獨立、互不影響的,由于各控制系統的目的,是使挖掘機系統在各種工況下節能,故在控制器輸出時,應遵循最小能耗原則[7~8],即哪一個控制器的輸出能使發動機負載功率最小,則選擇哪一個控制器的輸出。因為控制器輸出的是排量,所以任何時刻都是使泵輸出排量最小的控制系統起作用。
恒功率控制系統泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關系為
壓力切斷控制系統中泵出口流量Qq與泵出口壓力P的關系為
負流量控制系統中泵出口流量Qf與負流量控制壓力Pi的關系為
上述3式中,
W為發動機的額定功率;
Qmax為泵出口最大流量;
P為泵出口壓力;
PS為恒功率控制泵的啟調壓力;
PCO為壓力切斷閥切斷壓力。
恒功率控制泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關系,負流量控制泵出口流量Qf與負流量控制壓力Pi的關系,可以通過實驗得出。將實驗數據在MATLAB中用線性插值法,可以繪制P-Qh曲線、Pi-Qf曲線如圖1、圖2所示,然后將兩曲線分別保存到二維數組 A[P,Q]、B[Pi,Q]中,最后輸出 P-Q.dat和Pi-Q.dat文件。壓力切斷控制時的切斷壓力PCO根據系統要求設定,一般比負載最大壓力大一點。根據最小能耗原則,具有這3種控制方式的變量泵出口流量
圖1 恒功率控制時的實驗數據
圖2 負流量控制時的實驗數據
在AMEsim中搭建恒功率泵的仿真模型,如圖3所示。
圖3 液壓泵恒功率控制模型
在圖3中,通過可調溢流閥來調節負載壓力從0上升到35MPa,溢流閥的溢流壓力為39 MPa,信號函數的文本數據設置為P-Q.dat數據文件,運行仿真后,可得到泵出口流量與壓力的曲線,如圖4所示。
圖4 恒功率泵出口流量壓力曲線
對比圖1的P-Q曲線可知,仿真結果與實驗數據吻合,因此該恒功率控制變量泵模型能夠反映實際情況。
在AMEsim中搭建負流量控制泵的仿真模型,如圖5所示。
圖5 液壓泵負流量控制模型
在圖5中負流量控制口壓力由壓力源輸入0~4 MPa的壓力,溢流閥的溢流壓力為39 MPa,信號函數的文本數據設置為Q-Pi.dat數據文件,運行仿真后,可得到泵出口流量與負流量控制口壓力的曲線如圖6所示。
圖6 泵出口流量與負流量控制口壓力曲線
對比圖2的Q-Pi曲線可知,仿真結果與實驗數據吻合,該負流量控制模型是有效的。
在AMEsim中搭建液壓泵壓力切斷控制模型,如圖7所示。
圖7 液壓泵壓力切斷控制模型
圖7中可調溢流閥來調節負載壓力從0上升到40 MPa,溢流閥的溢流壓力為39 MPa,假設液壓系統中壓力切斷閥的切斷壓力PCO=36 MPa,泵出口流量壓力如圖8所示。當泵出口壓力達到36 MPa時,泵出口流量為0,所以該模型具有壓力切斷功能。
圖8 液壓泵出口流量壓力曲線
從上述3種控制方式的變量泵模型可以看出,這種根據實驗數據建立的模型,仿真結果完全取決與實驗數據,不會像根據幾何尺寸建模那樣,模型仿真結果與實驗數據有一定的誤差。
所以在挖掘機液壓系統仿真中,這種變量泵模型要優于根據幾何尺寸所建的模型。下面的工作就是把這3種單獨控制模型組合在一起,建立一個具有這3種功能的變量泵模型,并在液壓系統中仿真分析,證明該變量泵模型能夠實現復合控制。
以挖掘機回轉油路為例,結合上述3種控制方法,在AMEsim中搭建回轉換向閥的復合控制仿真模型如圖9所示。
圖9 挖掘機回轉油路復合控制仿真模型
在圖9中,可調溢流閥代替負載裝置,負載壓力通過壓力源設定,多路換向閥模型由HCD庫的元件組合搭建[9~11]。中位旁通油路上有一固定節流口,作為負流量控制檢測裝置,檢測此處的壓力信號,然后控制泵出口流量。變量泵旁邊是一個信號輸出函數f(x,y,z),
其函數意義是輸出x,y,z信號的最小值,其中x表示壓力切斷控制信號,y表示負流量控制信號,z表示恒功率控制信號。
在該挖掘機回轉仿真模型中,所有參數都是根據實物測繪后計算所得,換向閥芯中位節流口通流面積的具體計算方法,已有許多學者進行了探討[12~13],這里不過多的討論。將計算的結果保存為.dat數據文檔,導入到AMEsim中仿真計算。換向閥閥芯通流面積與換向行程之間的關系如圖10所示。
圖10 回轉換向閥節流口通流面積
Aa表示泵出口油路P口到工作油路A口的面積,Ao表示泵出口油路P口到中位回油口O的面積,Ab表示泵出口油路P口到工作油路B口的面積。
其他一些重要參數如下所示:
油液的密度870 kg/m3;
體積彈性模量1 700 MPa;
溫度40℃;
液壓泵排量112 L/min;
額定轉速1 950 r/min;
彈簧剛度145 N/mm;
預壓縮量1 mm;
換向閥行程10 mm;
負流量檢測孔的直徑3.2 mm。
在壓力源中輸入壓力信號,使負載壓力從0上升到37 MPa,設置各子模型的參數,仿真結果如圖11所示。圖11(a)是控制變量泵的輸入信號 x、y、z與泵出口壓力的曲線,圖11(b)是泵出口流量與出口壓力曲線。
圖11 液壓泵出口流量特性
對比兩幅圖可知,當泵出口壓力在0~22.6 MPa時,泵出口流量由信號y控制,即負流量控制;當泵出口壓力在22.6~35 MPa時,泵出口流量由信號z控制,即恒功率控制,當泵出口壓力超過35 MPa時,壓力切斷控制開始起作用,由于切斷壓力取的是36 MPa,雖然負載最大壓力調到了37 MPa,但泵出口壓力最大仍然是36 MPa,且此時泵出口流量為0。
所以,該變量泵模型能根據不同的工況,采用不同的控制方式,具有復合控制功能,與實際挖掘機液壓系統相符,可以用于挖掘機系統仿真研究。
本文在AMEsim中建立挖掘機復合控制泵模型,仿真結果表明,該模型能夠實現挖掘機液壓泵的復合控制功能。這種建模方法對其他控制方式泵的建模,有一定的借鑒作用,為挖掘機液壓系統仿真分析提供了幫助。
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