基于負載敏感回路的起豎液壓系統仿真

董 鑫，張宏宇，陳 奇，劉洪波

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

基于負載敏感回路的起豎液壓系統仿真

董 鑫，張宏宇，陳 奇，劉洪波

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

介紹負載敏感技術在發射車起豎液壓系統中的應用，通過aMeSim搭建負載敏感泵、平衡閥、多路閥以及多級液壓缸等核心元件的仿真模型并進行系統仿真，提出采用多聯多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式，以適應起豎及回收過程中多級液壓缸的面積比變化，解決了大面積比回收時回油路過度節流、系統憋壓的問題。

負載敏感技術；起豎液壓系統；液壓系統仿真；匹配組合方式

0 引 言

起豎液壓系統是發射車的重要組成部分，決定起豎過程的快速性及平穩性，影響發射車的快速作戰能力。與以往采用特裝泵結合流量閥、壓力閥組成的起豎系統相比，多路閥及負載敏感泵組成的負載敏感起豎系統使用閥塊數量少，管路布置精簡，具有結構緊湊、控制精度高和能量利用率高的特點[1～5]。雖然負載敏感系統具有諸多優點，但采用多路閥控制大面積比變化的多級液壓缸的研究目前還未見報道。本文通過工程系統仿真高級建模環境（advanced Modeling environment for performing Simulation of engineering systems, aMeSim）建立起豎液壓系統的仿真模型[6,7]，研究采用多聯非對稱閥芯多路閥控制大面積比多級液壓缸的控制組合策略，解決大面積比回收時回油路過度節流、系統憋壓的問題。

1 負載敏感起豎液壓系統的組成及工作原理

負載敏感起豎液壓系統主要由負載敏感泵、多路閥、平衡閥及多級液壓缸組成，采用了負載敏感的控制方式，系統工作原理如圖1所示。

系統中的負載敏感元件為多路閥和負載敏感泵，其中多路閥采用閥前補償形式，其結構原理如圖2所示。由圖2可知，該閥集成了閥前壓力補償器、主閥芯、梭閥及負載敏感（Load Sensing, LS）限壓閥等結構，集成化程度高，精簡了外圍系統布置。另外，該主閥芯位移采用閉環控制方式，使其嚴格隨控制信號變化，具有較高的流量控制精度。閥前壓力補償器在正常工作狀態下維持主閥芯閥口壓差的恒定，從而使多路閥的流量只隨閥芯位移成特定函數關系變化。梭閥通過比較出口處的最高壓力，將其作為負載敏感壓力反饋給閥前壓力補償器及負載敏感泵。

圖1 負載敏感起豎液壓系統原理

圖2 多路閥結構原理

系統中所使用的負載敏感泵結構原理見圖3。由圖3可知，該泵控制閥芯受到泵出口壓力及負載敏感壓力控制，調節泵的排量，使泵的輸出流量隨系統的流量需求而變化。

圖3 負載敏感泵結構原理

系統中的平衡閥在起豎至重心后提供額外節流作用，抗衡負負載，使起豎過程平穩結束。當系統需要起豎至某一角度終止時，平衡閥可以有效鎖定起豎缸，以保持姿態。

為充分反映系統功能，研究多路閥對多級液壓缸的組合控制策略，需要對以上關鍵元件分別建模。

2 負載敏感起豎液壓系統核心元件建模

2.1 平衡閥模型

平衡閥主要由單向閥、液控節流閥以及安全閥的組合，其結構如圖4所示。

圖4 平衡閥結構示意

當控制口X無壓力且負載壓力未超過安全閥限壓時，平衡閥體現單向閥功能，允許油液以較小壓降從a腔流向B腔，同時有效阻斷油液從B腔流向a腔，實現負載保持功能。當控制口X處壓力足以打開先導閥芯時，B腔的壓力油經由主閥芯的節流閥口流向a腔，主閥芯節流閥口開度取決于控制壓力及負載壓力的共同作用，體現液控節流的作用。當X處沒有控制壓力且B腔的負載壓力足夠大時，位于主閥芯之上的安全閥將打開，使壓力油經T腔泄漏回油箱。

按照平衡閥的結構及工作原理建立的元件仿真模型如圖5所示。

圖5 平衡閥仿真模型

2.2 多級液壓缸模型

多級液壓缸是起豎液壓系統中的重要執行元件，采用逐層嵌套的結構形式，由外向內依次為四級至一級缸筒以及中心活塞桿。當中心活塞桿鉸接固定時，各級筒缸由外層向內層逐級伸出，前一級的缸筒相當于下一級的活塞桿，全部伸出后完成起豎過程。

在起豎過程中，每當一級缸筒接近完全伸出，下一級缸筒即將伸出時，均需要采取適當的緩沖措施，減輕因油缸的正、反腔作用面積比發生突變導致的系統壓力突變以及多級液壓缸的沖擊與振動。本系統中多級液壓缸通過逐漸遮蔽軸向阻尼孔陣列及浮動節流圈的錐形間隙節流等手段實現換級緩沖。

搭建多級液壓缸仿真模型時要反映各級缸筒的相對運動關系及各級缸筒受力情況。將換級緩沖阻尼結構用行程控制的阻尼孔進行等效，并在各級缸筒正腔之間設置補油單向閥，最終建立的多級液壓缸仿真模型如圖6所示。

圖6 多級液壓缸仿真模型

2.3 負載敏感泵模型

負載敏感泵通過泵出口壓力及反饋的負載敏感壓力調節泵輸出排量，滿足系統所需，按照圖1中負載敏感泵結構原理建立的仿真模型如圖7所示。

圖7 負載敏感泵仿真模型

2.4 多路閥模型

多路閥是一種集成化程度很高的液壓元件，如圖2所示，pVG32多路閥集成了閥前壓力補償器、換向閥主閥芯、梭閥及負載敏感限壓閥等元件。因集成化程度高，一般難以準確獲得閥內各結構的準確參數，故采用間接建模方式建立多路閥模型。

為建立多路閥主閥芯閥口節流特性，通過圖像識別程序從樣本上提取閥口流量特性并做歸一化處理，得到如圖8所示的閥口流量特性曲線。將該特性作為主閥芯模型的參數輸入。

圖8 歸一化主閥芯流量特性曲線

按照閥前壓力補償器工作原理搭建其結構模型，在設置參數時注意，補償器閥口節流面積要與主閥芯閥口節流面積滿足式（1）所示的匹配關系[8]。為使穩定工作時補償閥兩端壓降變化較小，就需要閥芯開度變化時引起的彈簧力變化較小，可以適當將彈簧剛度設置小一些，另外可以將補償器閥芯直徑設置的適當大一些，減小閥芯移動位移，進一步減小彈簧變化量。

式中d1C，d2C為流量系數，與雷諾數及阻尼孔的幾何形狀有關，紊流狀態下可近似認為二者相等；1A，2A分別為閥前壓力補償器節流口面積與主閥芯節流口面積；cP，pP分別為閥前壓力補償器調定壓力與負載敏感泵調定壓力；ρ為油液密度。

因梭閥工作原理較為簡單，只需設置適當的參數滿足其正常工作功能即可，最終得到的多路閥仿真模型如圖9所示。

圖9 多路閥仿真模型

3 多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式

3.1 起豎模型

按照圖1的工作原理搭建起豎系統的仿真模型，如圖10所示。其中起豎系統的負載由負載隨起豎缸伸出長度變化的數據文件定義。

圖10 負載敏感起豎液壓系統仿真模型

3.2 匹配組合方式

在起豎或回收過程中，多級液壓缸逐級運動，每當換級過程之后，液壓缸正、反腔面積比即發生變化。因通過正、反腔流量之比等于液壓缸工作時兩腔的面積比，通過多路閥進油和回油口的流量之比等于該面積比。在起豎過程中，控制對象為進入多級液壓缸正腔的流量，進油量大于回油量，因此面積比的變化不會在反腔產生憋壓。而在回收過程中，控制對象為進入反腔的流量，進油量小于回油量，采用對稱閥芯時，閥口進油面積與回油面積相等，而回路閥口要流經更多流量，在回油路上產生較大憋壓直至溢流壓力設置最低的溢流閥溢流，因此需要采用流量匹配控制策略降低回收時的系統壓力。

為了解決回油憋壓問題，系統采用三聯多路閥組合對多級液壓缸進行控制，第1聯最大流量100 L/min，只與多級液壓缸正腔連接，不與反腔連接；第2聯采用非對稱閥芯，與多級液壓缸正腔相連時最大流量為130 L/min，與反腔相連時最大流量65 L/min；第3聯最大流量130 L/min且B口處負載敏感限壓閥設置的開啟壓力設置較低，為6 Mpa，當多級液壓缸面積比較大時，該聯閥的負載敏感限壓閥溢流，壓力補償器幾乎被完全關斷，很少有壓力油從第3聯供向多級液壓缸反腔，但是并不影響多級液壓缸正腔壓力油經此流回油箱。為盡快完成回收過程，控制時應該使第1聯、第3聯多路閥主閥芯全部打開，以最大開口幫助多級液壓缸正腔回油，進入多級液壓缸的油液完全由第2聯控制，通過調節第2聯多路閥的流量能夠滿足反腔進油與正腔回油滿足面積比變化，在快速回收的同時避免憋壓。

運行仿真得到起豎和回收過程的多級液壓缸長反腔壓力隨時間變化曲線如圖11所示，各級液壓缸動作的位移時間曲線如圖12所示，三聯多路閥各自的閥前壓力補償器閥芯開口位移如圖13所示。

圖11 多級液壓缸正、反腔壓力隨時間變化曲線

從圖11中可以看出，經過三聯多路閥匹配后起豎和回收過程速度均較快，在回收過程中，除短暫的壓力波動外系統壓力不超過12.5 Mpa，較好地解決了回油憋壓問題。

圖12 各級液壓缸動作的位移時間曲線

圖13 各聯多路閥閥前壓力補償器閥芯開口位移

從圖13可以看出，在起豎過程中，第2聯及第3聯多路閥閥前壓力補償器開口量相等且均大于第1聯多路閥，說明這兩聯多路閥壓縮彈簧量小于第1聯，因此其主閥芯壓降小于第1聯多路閥。在回收過程中，第1聯多路閥開度為零，第3聯多路閥開度為負，與之前分析相符，這兩聯多路閥壓力補償器進油口均處于截止狀態，只有第2聯多路閥向多級液壓缸反腔供油，第1聯及第3聯多路閥只幫助系統回油。

4 結 論

本文建立了負載敏感起豎液壓系統中平衡閥、多級液壓缸、負載敏感泵以及多路閥的aMeSim仿真模型。通過對負載敏感起豎液壓系統起豎及回收過程的仿真，探討了采用多路閥控制多級液壓缸的匹配組合方式，提出提高動作速度、避免回收憋壓的具體措施，即在起豎過程中使用三聯多路閥同時以最大開度供油，在回收過程中只采用第2聯多路閥向多級液壓缸反腔供油，第1聯不與起豎缸反腔接通，第3聯與起豎缸反腔相連一端負載敏感限壓閥壓力調低，并處于溢流狀態，既可截止第3聯多路閥向多級液壓缸反腔供油，又可以通過溢流限制系統總壓力。

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[8] 王保和. 流體傳動與控制[M]. 長沙: 國防科技大學出版社, 2001.

Simulation on Erection Hydraulic System with Load Sensing Circuit

dong Xin, Zhang Hong-yu, chen Qi, Liu Hong-bo
(Beijing Institution of Space Launch Technology, Beijing, 100076)

The application of load sensitive technology in the erection hydraulic system on the launch vehicle is discussed in this paper. Simulation models of core components including the load sensitive pump, the balancing valve, the multi-way valve and the multistage cylinder are built and the system simulation are conducted in the aMeSim simulation platform. control strategy of the multistage cylinder with the combination of various multi-way valves is proposed to adapt to the change of areas ratio during erection and recovery process, avoiding the pressure increase caused by over-throttling in the oil returning circuit during recovery process with large acting areas ratio.

Load sensitive technology; erection hydraulic system; Hydraulic system simulation; Matching and combination strategy

V554+.2

a

1004-7182(2016)01-0021-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20160106

2014-11-04；

2015-04-13

董 鑫（1980-），男，工程師，主要研究方向為液壓元件及系統設計