基于AMESim管道參數對液壓系統動態特性的影響分析

羅俊

（陜西理工大學 機械工程訓練中心，陜西 漢中723003）

0 引 言

管道作為液壓系統的輔件，如液壓系統的血管脈絡一樣。在系統中，管道起到連接泵與控制閥、控制閥與執行機構的作用，且具有傳遞動力與信號之功能[1]。如今工程機械的液壓裝置趨向于大型化、復雜化、自動化，管道使用距離越來越長，如常見的液壓挖掘機、起重機就是典型的實例[2]。此外，對于精密液壓機械裝置，雖管道長度的使用精簡，但系統控制精度和整機動態性能要求極高，減小管道對系統造成的干擾，合理配置管道參數極為重要[3]。

水平連接器安裝機具液壓系統中的四組液壓缸，如對接液壓缸組、驅動液壓缸組、對中液壓缸組和鎖緊液壓缸組，它們都是分布在安裝工具上的，因而其管線排布也很復雜。管線連接泵與閥件、閥與執行機構、閥與閥等，這些連接存在管線直徑、長度、材料等因素的不同，因而對系統產生影響。尤其是驅動液壓缸組和對接液壓缸組要求較高的同步精度，即使很短的管線也會產生一定的影響，管線的長度也會帶來壓力損失、振動等對系統產生的影響，因此進行管道參數對液壓系統動態特性的影響分析十分必要。

1 液壓系統原理和仿真模型

水平連接器安裝機具中對接液壓缸組，是由4個雙作用液壓缸組成[4]，所建立的液壓缸控制模塊主要由4個雙作用液壓缸、位移傳感器、質量塊、粗調電磁閥、微調電磁閥、單向閥等組成，其中位移傳感器能夠實時地將液壓缸的位移反饋到電氣控制系統中，粗、微調電磁閥也是在電氣控制系統的信號控制下調整閥開口大小，以實現液壓缸的流量調節，具體模型如圖1所示。

圖1 液壓缸控制模塊模型

2 仿真模型參數設定

AMESim仿真包括4個過程：草圖模式、子模型選定模式、仿真參數設定模式、仿真模式。在草圖模式下可將所有系統模型建立，按照需要選定系統元器件的子模型，檢查模型連線是否完整，然后設定子模型的參數及仿真參數，在仿真模式下，啟動仿真、分析仿真結果。

水平連接器液壓系統仿真主要參數有系統壓力20.7 MPa；三位四通電液比例換向閥的通路流量設定為10 L/min，壓降梯度0.1 MPa，額定電流40 mA，固有頻率80 Hz，阻尼比0.8。液壓缸參數如表1所示，其余子模型的參數選定跟具體的工況分析相關，區別設定，或選用默認值。

表1 對接液壓缸基本參數

3 管道參數對液壓系統動態特性的影響分析

本文將從管線的長度、直徑和材料三方面因素，對水平連接器液壓系統動態特性影響作仿真分析。

3.1 管線長度的影響

設定管線直徑為φ25 mm，材料為鋼管，管線長度分別為1 m、5 m、8 m、10 m、30 m時，分析其對對接液壓缸的影響。

從圖2可以看出，隨著管線的長度增加，液壓缸的位移達到行程的時間增長，系統響應變慢，其時間位移局部放大圖見圖3，可以很清晰地看出，管線從1 m到5 m、8 m、10 m、30 m，其響應時間逐漸變長，尤其是30 m管線與其他長度相比響應較慢。

圖2 液壓缸時間位移曲線（管長度）

圖3 液壓缸局部時間位移曲線（管長度）

圖4所示為對接液壓缸1的時間速度曲線圖，從圖中可以看出液壓管道長度在1 m到5 m、8 m、10 m、30 m時，其速度基本上沒有較大的波動，速度保持在0.032 76 m/s,從時間軸看，各個長度的管線之間略微有延遲。

圖4 液壓缸時間速度曲線（管長度）

3.2 管線直徑的影響

在其他參數一致的情況下（鋼管管線長度5 m），設定管線直徑分別為φ25 mm、φ30 mm、φ40 mm、φ60 mm，仿真所得液壓缸的時間位移曲線如圖5所示，其局部放大圖如圖6所示，時間速度曲線如圖7所示。從時間位移曲線和時間速度曲線來看，其響應時間隨著直徑增大而增長，其速度保持穩定，仍然為0.032 76 m/s。

圖5 液壓缸時間位移曲線（管內徑）

圖6 液壓缸局部時間位移曲線（管內徑）

圖7 液壓缸時間速度曲線（管內徑）

3.3 管線材料的影響

液壓系統中常用的液壓管線可以分為兩類：軟管和硬管（鋼管），管線的材料不同，其彈性模量不同，在保證管線的直徑（2φ5 mm）和長度（5 m）一致的情況下，分別設定管道彈性模量為1000 MPa（軟管）和2.06×105MPa（硬管），得到的液壓缸時間位移曲線如圖8所示，其局部放大圖見圖9、時間速度曲線見圖10。從位移局部放大圖可以看出，當使用軟管時，系統響應性較差，位移出現了遲滯現象，液壓缸的速度基本保持穩定，未出現振蕩。

圖8 液壓缸時間位移曲線（管材料）

圖9 液壓缸局部時間位移曲線（管材料）

圖10 液壓缸時間速度曲線（管材料）

4 結 論

從仿真分析得到管道參數對水平連接器液壓系統的動態特性影響，管道長度和直徑的增加，會使得液壓系統響應延遲，延長響應時間，速度能基本保持穩定。管道的材料不同，也會影響系統的響應，軟管的彈性模量較小，造成系統響應緩慢。因此，在液壓系統管道選擇上，在滿足系統速度、位移等要求前提下，盡可能選用直徑較小的硬管。