基于AMESim全液壓轉向系統流量放大器特性分析

楊 英

（重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

1 引言

采用流量放大器的全液壓轉向系統是大排量全液壓轉向器中的一支，具有結構緊湊、體積小、重量輕、轉向靈敏、安裝布置方便、工作可靠和系統效率高等優點，在發展大噸位的工程機械過程中，采用流量放大器的全液壓轉向系統所具備的這些優點是液壓助力轉向器和普通全液壓轉向器所不能比擬的。隨著負載傳感流量放大全液壓轉向器的使用范圍越來越廣，所以有必要對負載傳感全液壓轉向系統靜、動態特性做全面的研究，為實際應用優化提供參考[1]。國內外學者取得一定成果：文獻[2]利用專門的液壓仿真工具針對同軸流量放大全液壓轉向器進行研究；文獻[3]基于OSQA型流量放大器的結構應用于工程機械解決操作困難的問題；文獻[4]針對全液壓轉向系統進行了分析，從能量流的角度建立轉向器和轉向系統的動態模型；文獻[5]基于數學模型分析了液壓動力轉向系統迅速轉向時響應滯后的現象，對流量閥和管路的尺寸進行優化設計。

對流量放大全液壓轉向系統中的流量放大器的靜態特性和動態特性進行分析。基于流量放大全液壓轉向系統的結構特點，對流量放大器結構和工作原理進行分析，對流量放大器靜態特性進行數學分析；基于AMEsim建立仿真分析模型，對動態工作特性以及各參數變化對系統響應特性影響規律進行分析。

2 流量放大器結構特點

對于一些大型工程機械來說，全液壓轉向器向轉向缸提供的油液流量已經遠遠不能滿足轉向的需求，因此選用一個流量放大器顯得十分重要[6]。OSQB型流量放大器工作原理，如圖1所示。

圖1 OSQB型流量放大器Fig.1 Schematic Diagram of OSQB Flow Amplifiers

3 流量放大器動態特性

靜態特性研究無法考慮主閥芯質量及油液粘度等參數對流量放大器工作特性的影響[7]，下面以方向盤從初始中位到穩定工作的過渡階段為研究對象。

3.1 優先閥動態數學模型

忽略油道內外泄漏的影響，其入口流量恒定（全液壓轉向系統為常流源），可得流量連續性方程如下（設閥芯右移為正方向）[8]。

式中：PV1—優先閥左腔壓力，Pa；A7—優先閥 PP 口節流孔面積，m2；

βe—油液體積彈性模量；v1—優先閥左腔容積，m3；v2—優先閥右腔容積，m3。

優先閥受力平衡方程為：

3.2 優先閥仿真模型

利用AMESim建立轉向系統中優先閥的模型，如圖2所示。

圖2 優先閥仿真模型Fig.2 Preferred Valve Simulation Model

3.3 優先閥動態特性分析

圖3 優先閥動態特性結果Fig.3 Shows the Dynamic Characteristics of the Valve

（1）方向盤轉角θ斜階躍輸入時優先閥的動態響應

設pe=0，p1=14MPa時，q0=120L/min。施加斜階躍信號：對應方向盤轉速n=50r/min、70r/min。方向盤轉角斜階躍輸入時，在開啟的瞬間，流量會有微小的波動，隨后逐漸增大直至趨于平穩。由圖3（a）可以看出，方向盤轉速n=50r/min時流量響應時間為0.15s。當方向盤轉速增大，流量相應增大。但是節流口C1兩端壓差不變。

（2）轉向負載P1對優先閥動態響應的影響

設 pe=0，q0=120L/min，p1=14MPa和 p1=7MPa時，θ施加一斜階躍信號：對應方向盤轉速n=50r/min。

從圖3（b）可以看出，隨著轉向負載p1的增大，優先閥輸出流量Q1響應時間變長，但系統仍然趨于穩定，且穩態值基本不變。轉向器輸出流量基本不變，說明了轉向器開口一定時，其流量不會隨著負載的改變而變化。

（3）入口流量變化對優先閥動態響應的影響

設定 pe=0，p1=14MP，q0=80L/min、120L/min 時，θ施加一斜坡信號：對應方向盤轉速n=50r/min。

從圖3（c）中可以看出，入口流量增大時，優先閥輸出流量Q1和C1節流口兩端壓差基本不變。

由上述分析可以看出，當轉向器負載和入口流量改變時，轉向器輸出流量基本不變，從而說明轉向器開口一定時，其流量不會隨著入口流量（主要由發動機轉速決定）或者負載的改變而變化，這也證實了轉向器的流量只與其開口度有關，即與方向盤的轉動速度有關，而與其他因素無關，這一性能說明轉向操作完全受控于操作者，保證了轉向的穩定可靠性。

（4）阻尼孔A7、A8對優先閥動態響應的影響

從圖3（d）可以看出，增大阻尼孔的面積會使系統響應時間變短，但是系統震蕩加劇，不利于系統的穩定。

（5）彈簧剛度對優先閥動態響應的影響

由圖3（e）可知，彈簧剛度增大，優先閥動態響應加快，穩定流量有所增加，但增幅很小。

3.4 流量放大器仿真模型

流量放大器（不含優先閥）的仿真模型，如圖4所示。含有方向閥和流量放大閥，還集成了緩沖閥和補油閥[9-10]。仿真中通過溢流閥模型模擬轉向負載，恒流源作為流量放大器L、R口控制油液。

圖4 流量放大器仿真模型Fig.4 Flow-Amplifier Simulation Model

設定轉向器控制油路流量20L/min，觀察流量放大器輸出流量曲線。從圖5可以看出，流量放大器響應時間大約為0.04s。當系統穩定后，流量放大器輸出流量與轉向器控制流量的比值接近流量放大器的放大倍數。

圖5 流量放大器輸出流量曲線Fig.5 Flow Amplifier Output Flow Curve

4 結論

針對對流量放大全液壓轉向系統關鍵元件流量放大器進行分析，并利用AMESim建立動態仿真模型，通過對不同工況的分析，指出了各參數對元件性能的影響。結果可知：（1）優先閥位移逐漸減小，優先閥CF口流量僅與轉向器開度有關，與負載無關；優先閥閥芯位移隨著EF口負載壓力pe增大而增大，優先閥CF口流量隨著EF口負載壓力增大而減小。（2）優先閥處于EF油路工作，CF油路不工作工況時，系統節能效果較好；當CF油路工作，而EF油路不工作時，EF油口的壓力損失最大。（3）流量放大器中優先閥彈簧剛度增大，優先閥動態響應加快，穩定流量有所增加，說明彈簧剛度增大有利于提高優先閥CF口流量的穩定性；阻尼孔的面積增大會使系統響應時間變短，但是系統震蕩加劇，不利于系統的穩定。