基于AMESim的液壓增壓缸的仿真分析

摘要:本文介紹了增壓缸的結構和工作原理，利用AMESim的標準液壓庫和元件設計庫(HCD)構建了某液壓系統增壓部分的仿真模型，并對增壓過程的動態性能進行了仿真分析，對增壓缸的設計和分析具有指導意義。

關鍵詞:增壓缸;AMESim;動態性能;仿真分析

1引 言

為便于液壓閥的選型和使用，液壓系統的工作壓力一般設定為160～190bar。由于實際工況的需要，主油缸壓力可達到350bar左右。在這種情況下，通過增壓缸使主油缸獲得較高的工作壓力是一種較為理想的選擇。

2增壓缸工作原理

增壓缸的工作原理如圖1所示。當低壓油P1 進入到缸左端時，活塞向右運動，輸出高壓油P2 ，由靜壓平衡原理可知:

P1A1=P2A2(1)

其中:

P1——輸入的低壓;

P2——輸出的高壓;

A1——大活塞的面積;

A2——小活塞的面積。

由(1)式可得: P2=P =PK (2)

式中:

K——增壓比，K= 。

面積A和A相差越大，K值也越大，增壓的效果越明顯。在系統的壓力一定時，經過增壓缸可以使壓力放大K倍，達到增壓目的。

3 液壓系統增壓部分原理圖

某液壓系統增壓部分原理圖如圖2所示。它由電機、變量泵、蓄能器、插裝閥、溢流閥和增壓缸等基本元件組成。增壓過程如下:

系統壓力油通過插裝閥V101(YV101通電)進入到增壓缸的大端，增壓缸小端的高壓油進入到主油缸的上腔，產生壓力克服彈性負載。

增壓系統的作用是在盡可能短的時間內使主油缸的壓力達到要求(由彈性負載的大小決定)，主缸的負載為彈性負載，主缸的活塞桿行程要控制在2mm內。

4基于AMESim的增壓系統模型

AMESim所含液壓系統的模型庫中集成了大多數標準液壓元件的仿真子模型，最大程度地避免了仿真者自行設計數學模型。同時，對于系統中的特定元件模型，可根據其物理結構，使用液壓元件設計庫里面的最小模型單元搭建完成[1]。

4.1 在草圖模式下建立液壓系統模型

本仿真系統的系統壓力采用變量泵來實現，省略了油路上的冷卻系統和過濾系統等輔助元件。對圖2所示的液壓系統，大多數元件如變量泵、蓄能器、電磁閥和溢流閥就直接調用標準液壓庫里的子模型;但是系統中的增壓缸、插裝閥作為特定元件，標準液壓庫無法滿足建模要求。為此采用了AMESim的液壓元件設計庫HCD (Hydraulic Component Design)[2]。應用HCD庫建立了如圖3所示的插裝閥的仿真模型以及圖4所示的增壓缸的仿真模型。用以上在標準庫里調用的和通過HCD庫建立的元件子模型，就可以搭建增壓系統的仿真模型，如圖5所示。

4.2 在子模型模式下為每個圖形模塊選取數字模型

進入子模型模式(Submodel mode)，為系統中的每個圖形模塊選取子模型。AMESim 提供了首選子模型(Premier submode1)功能。

4.3在參數模式下設定每個圖形模塊需要的特定參數

在參數模式(Parameters mode)下，設置系統主要的仿真參數如表1所示。

4.4 在運行模式下運行仿真

進入運行模式(Run mode)，設置仿真時間為1s、仿真步長為0.01，按照單步運行的運行方式開始仿真。

5仿真結果分析

5.1 增壓缸分析

圖6為增壓缸低壓、高壓腔壓力曲線，其中曲線1為低壓腔壓力曲線，曲線2為高壓腔壓力曲線;圖7為增壓缸活塞桿的位移曲線。通過仿真曲線可以看到，增壓缸低壓腔在44ms達到最大壓力140bar(系統的壓力)，此時高壓腔的壓力為310bar，可以計算出實際的增壓比為 2.21，比理論值2.25略小。這是由于增壓缸的泄漏和液壓油的壓縮造成的;在增壓缸低壓腔達到最大壓力時，增壓缸的活塞桿位移為75mm，與活塞桿的最大位移140mm相比，還有很大余量，為了使增壓缸適應不同的負載，其最大位移都要留有余量。

5.2 主油缸分析

圖8為主油缸活塞桿的位移曲線，圖9為主缸壓制力曲線。通過仿真曲線可以看到，主缸在0.44s達到了預定的最大位移2mm，此后保持了穩定高壓狀態;達到最大位移時主缸最大的壓制力為1.1×107 N。

5.3 增壓缸間隙對增壓系統的影響

為了探討增壓缸的泄漏對系統的影響，通過改變系統仿真模型中增壓缸的徑向間隙，可以得到低壓腔、高壓腔的具體泄漏情況。

圖10 為增壓缸徑向間隙t=0.01mm時的泄漏流量，圖10(a)為低壓腔泄漏流量，圖10(b)為高壓腔泄漏流量。通過圖10(a)與圖10(b)的對比可以看出，當系統達到穩定時(0.44s)，低壓腔、高壓腔泄漏量都很小，但高壓腔的泄漏量相對較大。

同理，圖11為增壓缸徑向間隙t=0.1mm時的泄漏流量。對比圖11(a)與圖11(b)可以很明顯的看到，徑向間隙的增大，低壓腔、高壓腔泄漏量都增大，達到穩定時(0.44s)，低壓腔的泄漏流量為0.63 L/min，而高壓腔的泄漏流量為0.96 L/min，低壓腔的泄漏量增長速度更快，但高壓腔的泄漏量始終大于低壓腔，這說明高壓對系統泄漏的影響是最大的。通過上面的分析可以對增壓缸的設計與選型有一定的指導意義。在設計增壓缸的時候一定要注意活塞桿的密封，尤其是高壓腔活塞的密封，增壓缸的徑向間隙控制在0.01mm可以產生很小的泄漏量，滿足系統要求。

參考文獻

[1] 郭曉松，祁帥，于傳強等.工程機械的節流調速液壓回路仿真分析[J].機床與液壓，2009，6:206-208.

[2] 付永領，祁曉野.AMESim系統建模和仿真——從入門到精通[M].北京:北京航空航天大學出版社，2006.