液壓系統抗壓力脈動干擾的研究

梅曉宇

（寧波通用塑料機械制造有限公司，浙江寧波 315155）

對位于液壓泵出口處的輸出壓力P和流量Q檢測時發現，其輸出值不是理論上的恒定不變[1－4]。由于柱塞之間的壓力交替輸出和柱塞之間存在尺寸精度的偏差,導致泵口的流體輸出不可避免的發生壓力上的振蕩和流量上的波動。系統中的連接管路、各個動作需要的電磁閥、執行元件（膈膜油缸）、蓄能器、擺線馬達等液壓元件在工作時，也會對系統的壓力脈動產生影響。

1 壓力脈動源的模型建立及其分析

柱塞泵的工作原理，如圖1所示。當柱塞泵的斜盤轉過－α角度時,柱塞從位置1到位置2,同時推動柱塞向右產生位移x，液壓油從柱塞向外排出，流量由柱塞容積決定。

圖1 柱塞泵工作過程簡圖

位移為：

柱塞運動速度V為：

可以看出，3個柱塞存在正弦規律的周期運動，瞬間流量Qs也呈正弦周期脈動。

為了更加準確的掌握膈膜缸的工作特性，免去復雜的數學計算過程，利用AMESim仿真軟件，對膈膜缸進行建模仿真，在空載和有負載的工況下，分別對氣腔模型、壓力油模型進行仿真，并通過調整關鍵參數設定值，比較對開模響應和沖擊性的影響。

AMESim是一款目前主流的仿真軟件,可以滿足常用的系統工程，可以與Sumlink等數值分析軟件無縫對接。其豐富、可視化的模塊調用功能，降低了初學者的門檻，客觀準確的參數化設置，與實際工程環境非常接近但又不影響仿真的速度。

相比其它的仿真軟件，AMESim具備如下優勢[5]:

具有Z個柱塞泵的瞬時流量為：

（1）AMESim內置的標準接口仿真環境，可以使不同領域的模塊進行方便的對接。使AMESim成為眾多工程、學科研究人員首選的仿真平臺。

（2）AMESim提供了友好的圖形化界面，積累了大量的模型庫，將抽象的物理量關系集成在子模型中，客戶不需要去建立不直觀的數學模型，可以自定義模塊或仿真模型，直觀的構建仿真系統。

（3）仿真模式多樣化。仿真時間短，仿真精度高。

（4）AMESim成功的實現了與其它數值分析軟件的對接，將模型分析與數據計算更好的結合。基于這些優點,AMESim軟件已被各個大型制造企業作為必須工具。成為軍工、汽配、流體和航天航空等重要研發部門的首當選擇。

一般的AMESim建模仿真，可按以下步驟進行[6]:

（1）元件選擇及連接。調入系統需要的子模型，將模型連接。

（2）為所有元件選擇元件子模型。AMESim內置了多種子模型可供選擇，方便構建不同的液壓系統。

（3）仿真參數的設定。

（4）設定仿真步長。

圖2 柱塞泵仿真模型

表1 元件參數設置

對柱塞泵進行仿真，仿真模型如圖2所示，主要參數設置見表1。

繪制輸出口的輸出流量隨時間的變化曲線，如圖3所示。可以看出雖然泵的名義排量是450L/min，但最低流量和最高流量在（400～500）L/min之間做正弦波動。

圖3 流量輸出口流量脈動曲線

繪制壓力輸出口的輸出壓力隨時間的變化曲線，如圖4所示。可以看出雖然泵的名義壓力是164bar，但最低壓力和最高壓力在（160～170）bar之間做正弦波動。

2 油液在管道中的壓力脈動與振蕩

圖4 流量輸出口壓力脈動曲線

圖5 高壓軟管簡化圖

油液在管道中的壓力和流速的傳播,可簡化為圖5所示。

液體振動偏微分方程為[1]:

式中p——脈動壓強（MPa）；

v——脈動速度（m/s）；

E——液體壓縮彈性模量（MPa）；

ρ——液體密度（kg/m3）。

方程（4）、（5）的解為:?ρωφ

常數A、B、ω由邊界條件和初始條件確定。

將x=0和x=1時的壓強、速度帶入函數，得：

其中傳遞矩陣為:

圖6 高壓軟管仿真模型

式中li——軟管長度（m）；ω——油泵脈動頻率（Hz）。

由式（7）可以看出，考慮到液壓系統的剛度因素，在系統的動態特性分析時,油液必須視為可壓縮介質[7]。在油泵脈動頻率、軟管通徑、油液密度一定的情況下，改變軟管的長度，會對傳遞到閥板的壓力脈動產生影響。取不同的軟管長度進行仿真分析（如圖6所示），對比壓力脈動。主要參數設置見表2。壓力輸出口脈動見圖7。

表2 元件參數設置

圖7 不同軟管長度壓力脈動曲線對比

3 液壓閥產生的壓力脈動

對連接膈膜缸的單向閥進行仿真，模型如圖8所示。

從設備調試角度，改變閥芯的位移需要程序的調整；改變閥的固有頻率對于一線調試人員更是難度很大[8]。相對于彈簧的剛度，容易調整，可以通過更換閥中彈簧的型號，進行性能的對比。

圖8 單向閥仿真模型

圖9 不同彈簧剛度壓力輸出口脈動

表3 元件參數設置

取不同剛度的彈簧進行仿真分析，對比壓力脈動。主要參數設置見表3，壓力輸出口脈動，見圖9。

4 皮囊式蓄能器對脈動源的抑制作用

蓄能器對壓力波動可以起到抑制作用[9]。在大量的文獻中有蓄能器的數學模型的建立和公式的推導[10]。對蓄能器的仿真模型，如圖10所示。選擇蓄能器的不同參數對壓力脈動進行研究，以系統壓力164bar為基礎，調整蓄能器的充氣壓力，對比壓力脈動（如圖11所示），主要參數設置見表4。以系統壓力164bar為基礎，更換不同體積的蓄能器，對比壓力脈動，見圖12。發現，蓄能器的充氣壓力和體積都對管路的脈動有一定的影響。

圖10 蓄能器抑制壓力脈動仿真模型

圖11 蓄能器對脈動源抑制作用曲線比較

表4 元件參數設置

圖12 蓄能器對脈動源抑制作用曲線比較

5 結論

本文從模型仿真的角度，分析出系統壓力脈動的原因。針對與注射油缸相連接的部件，進行模型仿真，尋找抑制壓力脈動的方法。得出如下結論:

（1）柱塞泵的輸出特性，閥芯的啟閉，油液的沖擊等是引起壓力脈動的原因。

（2）單向閥的彈簧剛度越大，壓力沖擊越大，反則，沖擊越小。

（3）壓力脈動與高壓軟管的長度有關系，長度越長，壓力脈動越小。

（4）蓄能器充氣壓力需比系統工作壓力略小，能夠起到吸收脈動的作用，蓄能器充氣壓力太大，蓄能器就沒有吸收脈動的作用。蓄能器容積越大，吸收脈動效果越好。