基于AMESim的固沙車插草液壓回路動(dòng)態(tài)特性分析

趙增耀 朱陽(yáng) 陳文斌

陜西汽車控股集團(tuán)有限公司 陜西西安 710200

1 前言

固沙車是用于沙漠治理或預(yù)防的特種工程車輛。車輛在作業(yè)時(shí)將草料鋪設(shè)到地面上，利用壓刀將草料壓入沙漠中，完成草方格鋪設(shè)作業(yè)[1]。固沙車插草液壓回路的主要作用是在工作過程中驅(qū)動(dòng)壓刀將草料壓入沙漠中。因此，插草液壓回路需具有快速連續(xù)循環(huán)工作的能力，同時(shí)，壓刀液壓缸在工作行程末端應(yīng)避免因活塞快速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致沖擊現(xiàn)象。針對(duì)插草液壓回路的工作特性，采用液壓差動(dòng)控制回路可實(shí)現(xiàn)插草液壓缸快速下行動(dòng)作，液壓缸大腔增加緩沖裝置設(shè)計(jì)防止活塞上行末端沖擊。液壓動(dòng)力油口配置蓄能器，可有效防止液壓缸快速工作過程中產(chǎn)生的沖擊振蕩。現(xiàn)以固沙車插草液壓回路為研究對(duì)象，分析液壓差動(dòng)回路、液壓缸緩沖、蓄能器容積及預(yù)充壓力等工作原理及性能參數(shù)。搭建基于AMESim的液壓差動(dòng)、液壓缸緩沖、蓄能器、溢流閥、換向閥、定量泵等元件構(gòu)成的模型仿真回路。研究液壓缸緩沖、蓄能器主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)對(duì)插草液壓回路動(dòng)態(tài)特性的影響，以期為同類液壓系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)提供借鑒。

2 固沙車插草液壓回路組成及工作原理

該插草液壓回路簡(jiǎn)圖主要由液壓油箱、定量泵、溢流閥、蓄能器、二位三通電磁換向閥、雙作用液壓缸、、二位二通電磁換向閥、二位二通電磁卸荷閥、帶背壓冷卻器、帶背壓回油過濾器等液壓元件組成，如圖1所示。液壓回路具有液壓缸大腔緩沖、蓄能器吸收沖擊振蕩、系統(tǒng)過載保護(hù)、液壓油冷卻及回油過濾等功能。

圖1 插草液壓回路原理圖

當(dāng)DT1、DT2、DT3、DT4都不得電時(shí)，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經(jīng)二位二通電磁卸荷閥右位后再經(jīng)冷卻器及回油過濾器回液壓油箱，定量泵處于低壓等待工作狀態(tài)，雙作用液壓缸不工作。

當(dāng)DT1、DT2、DT4得電，DT3不得電時(shí)，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經(jīng)二位三通電磁換向閥左位進(jìn)入雙作用液壓缸大腔。同時(shí)，雙作用液壓缸小腔液壓油經(jīng)二位三通電磁換向閥右位后與定量泵出油口合流進(jìn)入雙作用液壓缸大腔，形成液壓差動(dòng)回路，提高雙作用液壓缸下行速度。

當(dāng)DT1得電，DT2、DT3、DT4不得電時(shí)，定量泵從液壓油箱中吸油，定量泵出油經(jīng)二位三通電磁換向閥右位進(jìn)入雙作用液壓缸小腔，雙作用液壓缸大腔液壓油經(jīng)二位三通電磁換向閥右位及二位二通電磁換向閥右位后，再經(jīng)冷卻器及回油過濾器回液壓油箱。雙作用液壓缸大腔兩路同時(shí)回油可增加回油通流量。

液壓缸末端緩沖作為插草液壓回路的主要輔助功能，其緩沖閥體結(jié)構(gòu)和開口大小對(duì)液壓缸行程末端緩沖壓力沖擊有一定影響。通過優(yōu)化緩沖結(jié)構(gòu)及緩沖節(jié)流開口大小可有效改善壓力沖擊。

蓄能器作為插草液壓回路中的主要輔助元件，其自身的容積、預(yù)充壓力對(duì)液壓缸隨壓刀插入地面瞬間負(fù)載劇烈變化引起的壓力沖擊有一定緩沖作用。蓄能器容積選擇恰當(dāng)可以有效地減小沖擊壓力峰值，過小的容積緩沖效果不明顯，過大的容積會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)變慢，同時(shí)也造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。蓄能器作為液壓緩沖器時(shí)，預(yù)充壓力一般為系統(tǒng)壓力的0.7~0.9倍。過小的預(yù)充壓力吸收壓力沖擊效果差，過大的預(yù)充壓力可能導(dǎo)致沖擊壓力振蕩頻率增加，同時(shí)也增加了蓄能器的制造成本。

3 液壓回路仿真模型搭建

根據(jù)液壓缸、蓄能器結(jié)構(gòu)特性和插草液壓回路原理，利用AMESim建立某型號(hào)固沙車插草液壓回路工作狀態(tài)仿真模型，圖2所示為液壓缸大腔帶緩沖的液壓回路仿真模型。油源流量定義為40 L/min，溢流閥的調(diào)定壓力為20 MPa，插草液壓缸行程0.3 m，缸徑為0.04 m，桿徑為0.028 m，液壓缸大腔緩沖機(jī)構(gòu)利用AMESim中信號(hào)庫(kù)及液壓庫(kù)相關(guān)元件模型搭建。AMESim模型搭建時(shí)省略其真實(shí)液壓原理中的卸荷電磁閥、冷卻器及回油過濾器等對(duì)仿真分析結(jié)果不產(chǎn)生主要影響的元件。

圖2 插草液壓回路仿真模型

4 仿真結(jié)果分析

4.1 緩沖節(jié)流孔徑對(duì)壓力波動(dòng)的影響

根據(jù)插草液壓缸工作特點(diǎn)可知，其插草液壓缸活塞在快速上行至末端會(huì)對(duì)液壓缸缸底產(chǎn)生沖擊。現(xiàn)以插草液壓缸上行的動(dòng)態(tài)過程為研究對(duì)象，仿真分析其主要元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液壓缸大腔壓力波動(dòng)的影響。設(shè)定仿真時(shí)間為2 s，仿真步長(zhǎng)為0.01 s，0.5 s后開始向液壓缸小腔供油，大腔液壓油回油箱，插草機(jī)構(gòu)上升過程為主要分析研究對(duì)象[2]。

圖3為不同緩沖節(jié)流孔徑對(duì)插草液壓缸在相同緩沖行程和負(fù)載作用下的仿真結(jié)果。圖中分別給出了節(jié)流孔徑分別取0.6 mm、0.9 mm、1.2 mm，時(shí)液壓缸大腔壓力波動(dòng)的相應(yīng)曲線。由圖可知：節(jié)流孔徑為0.6 mm時(shí)，大腔壓力在形成緩沖過程中波動(dòng)較強(qiáng)，且形成高壓時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致插草液壓缸上行過程穩(wěn)定性較差，緩沖時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)；節(jié)流孔徑為0.9 mm時(shí)，壓力波動(dòng)幅度相對(duì)0.6 mm的孔徑明顯降低，插草液壓缸上行緩沖段穩(wěn)定性相比0.6 mm的孔徑有所提高，且大腔壓力在緩沖形成后0.6 s迅速下降至0，相比0.6 mm孔徑緩沖時(shí)間明顯減少；節(jié)流孔徑為1.2 mm時(shí)，壓力波動(dòng)幅度及壓力值相對(duì)0.6 mm、0.9 mm的孔徑更低，插草液壓缸上行緩沖段穩(wěn)定性更加提高，但大腔壓力在緩沖形成后0.35 s迅速下降至0，緩沖時(shí)間更短，緩沖段壓力及時(shí)間的減小會(huì)導(dǎo)致對(duì)液壓缸缸底沖擊增大的現(xiàn)象。

圖3 節(jié)流孔徑對(duì)壓力波動(dòng)的影響

4.2 蓄能器容積對(duì)壓力波動(dòng)的影響

針對(duì)插草液壓缸工作特點(diǎn)，其插草液壓缸活塞在差動(dòng)快速下行過程中，其下行速度達(dá)到1.08 m/s，活塞高速度運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生壓力沖擊現(xiàn)象。現(xiàn)以插草液壓缸下行的動(dòng)態(tài)過程為研究對(duì)象，仿真分析其液壓缸大腔壓力波動(dòng)的影響。設(shè)定仿真時(shí)間為2 s，仿真步長(zhǎng)為0.01 s，0.5 s后開始向液壓缸大腔供油，差動(dòng)動(dòng)作。

圖4為無蓄能器及不同蓄能器容積對(duì)插草液壓缸在相同預(yù)充壓力和負(fù)載作用下的仿真結(jié)果。圖中分別給出了無蓄能器、蓄能器容積0.1 L、0.15 L、0.2 L時(shí)液壓缸大腔壓力波動(dòng)的相應(yīng)曲線。由圖4可知：無蓄能器時(shí)，大腔沖擊壓力峰值高達(dá)34 MPa，遠(yuǎn)高于液壓缸額定工作壓力25 MPa，對(duì)液壓缸造成損壞的可能性很大；蓄能器容積0.1 L時(shí)，沖擊壓力峰值25.5 MPa，基本等于液壓缸額定工作壓力，不會(huì)對(duì)液壓缸造成損壞；蓄能器容積0.15 L時(shí)，沖擊壓力峰值23 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，滿足要求；蓄能器容積0.2 L時(shí)，沖擊壓力峰值22 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，相比0.15 L時(shí)峰值壓力降低不明顯，但容積的增大使蓄能器吸收沖擊響應(yīng)變慢[2]。

圖4 蓄能器容積對(duì)壓力波動(dòng)的影響

4.3 蓄能器預(yù)充壓力對(duì)壓力波動(dòng)的影響

仿真特性及參數(shù)設(shè)置同4.2節(jié)要求，圖5為不同蓄能器預(yù)充壓力對(duì)插草液壓缸在相同容積和負(fù)載作用下的仿真結(jié)果。圖中分別給出了蓄能器預(yù)充壓力5 MPa、10 MPa、15 MPa、20 MPa時(shí)液壓缸大腔壓力波動(dòng)的相應(yīng)曲線。由圖5可知：蓄能器預(yù)充壓力5 MPa時(shí)，大腔沖擊壓力峰值高達(dá)37 MPa，遠(yuǎn)高于液壓缸額定工作壓力25 MPa，對(duì)液壓缸造成損壞的可能性很大；蓄能器預(yù)充壓力10 MPa時(shí)，沖擊壓力峰值26 MPa，稍大于液壓缸額定工作壓力，一般不會(huì)對(duì)液壓缸造成損壞；蓄能器預(yù)充壓力15 MPa時(shí)，沖擊壓力峰值24 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，滿足要求；蓄能器預(yù)充壓力20 MPa時(shí)，沖擊壓力峰值23.5 MPa，小于液壓缸額定工作壓力，相比15 MPa時(shí)峰值壓力降低不明顯，但預(yù)充壓力的增大使蓄能器吸收沖擊的響應(yīng)變快[3]。

5 結(jié)語

通過建立固沙車插草液壓回路的AMESim仿真模型，對(duì)壓刀上行、下行過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，得出如下結(jié)論：

圖5 蓄能器預(yù)充壓力對(duì)壓力波動(dòng)的影響

a. 對(duì)于快速動(dòng)作的液壓缸，緩沖節(jié)流孔徑阻尼能有效消弱液壓缸活塞對(duì)缸底沖擊，有利于液壓回路的穩(wěn)定及避免沖擊產(chǎn)生的噪音現(xiàn)象。但是過小的節(jié)流孔徑會(huì)使緩沖段背壓過高及緩沖時(shí)間長(zhǎng)，使緩沖段局部液壓油溫升高，影響液壓缸活塞密封及導(dǎo)致液壓回路能耗變高。另外，較大的節(jié)流孔雖然能降低緩沖段背壓，但緩沖時(shí)間也隨之減少，增大了液壓沖擊的可能性。因此，緩沖節(jié)流孔徑的選擇設(shè)計(jì)要兼顧沖擊造成的穩(wěn)定性、噪音大小、緩沖時(shí)間要求等問題。結(jié)合仿真分析結(jié)果，本系統(tǒng)液壓缸緩沖節(jié)流閥通徑宜選用0.9 mm。

b. 對(duì)于快速動(dòng)作的液壓缸，蓄能器容積大，沖擊小，但響應(yīng)時(shí)間慢，設(shè)計(jì)成本高；蓄能器容積小，沖擊大，但響應(yīng)時(shí)間快。在設(shè)計(jì)防沖擊液壓回路時(shí)需根據(jù)實(shí)際工況要求綜合考慮設(shè)計(jì)。結(jié)合仿真分析結(jié)果，本系統(tǒng)蓄能器容積宜選用0.15 L。

c. 對(duì)于快速動(dòng)作的液壓缸，蓄能器預(yù)充壓力大，沖擊小，響應(yīng)時(shí)間快；蓄能器預(yù)充壓力小，沖擊大，響應(yīng)時(shí)間慢，但過高的預(yù)充壓力增加了設(shè)計(jì)成本。在設(shè)計(jì)防沖擊液壓回路時(shí)需根據(jù)實(shí)際工況要求綜合考慮設(shè)計(jì)。結(jié)合仿真分析結(jié)果，本系統(tǒng)蓄能器預(yù)充壓力宜設(shè)定為15 MPa。