容積節流調速回路AMESim仿真研究

唐梅，陶柳

(四川工程職業技術學院 交通工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

節流調速回路結構簡單，使用維護方便，但因定量液壓泵的輸出流量總是大于執行元件負載所需的流量，多余的流量要在系統工作壓力之下，經溢流閥(串聯節流調速)或流量閥(并聯節流調速)流回油箱，所以總是不可避免地存在著節流損失和溢流損失。因其功率損耗大，回路效率低，發熱量大，只適用于小功率調速系統。

容積調速回路雖然具有效率高、發熱量少的優點，但也不同程度地具有與節流調速回路相類似的缺點，即執行元件的速度隨負載的變化而改變。針對速度穩定性要求較高的液壓系統，采用變量液壓泵同流量閥相配合，可以大大提高速度的穩定性[1-2]。

容積節流調速回路利用流量閥配合變量液壓泵，來實現對執行元件速度的調節。這種回路的特點是變量液壓泵的輸出流量能自動接受流量閥調節并與之吻合，無溢流損失，效率高，速度的穩定性較好。因此該回路適用于負載變化較大，要求速度穩定與高效率的場合。但研究發現,系統中元件的泄漏，特別是關鍵元件液壓缸的泄漏對系統速度穩定性有一定的影響，尤其是在高負載液壓系統中[3-4]。

本文基于AMESim仿真軟件，建立了容積節流調速回路的仿真模型，仿真驗證了所建立模型的正確性，同時通過對液壓缸泄漏間隙大小的設定，定量分析了液壓缸泄漏對于系統穩定性的影響。

1 容積節流調速回路工作原理

圖1所示為容積節流調速回路。這種回路采用變量液壓泵1與調速閥2相配合，常用于機床的液壓系統。對于單活塞桿液壓缸，為了獲得更低的穩定速度，將調速閥2安裝在無桿腔這側的進油路上，有桿腔的回油路上安裝背壓閥6。在液壓缸活塞快進時，二位二通閥3處于左位，調速閥2被短接，液壓泵1以最大流量給液壓缸供油。工進時，壓力繼電器5使二位二通閥3電磁鐵通電，液壓泵1輸出的壓力油須經調速閥2進入液壓缸，工作速度由調速閥2來控制，調節調速閥2開口的大小，可改變進入液壓缸的流量，從而實現液壓缸工作速度的調節。若液壓泵1的輸出流量大于液壓缸負載所需的流量，由于回路中沒有溢流閥，多余的油液沒有出路，液壓泵1的出口壓力就會上升。由限壓式變量液壓泵工作原理可知，通過壓力反饋可使液壓泵1的流量自動減小，直至二者相等。如果液壓泵1的輸出流量小于液壓缸負載所需的流量，液壓泵1的出口壓力就會下降，通過壓力反饋又使液壓泵1的輸出流量自動增大，直至二者相等。所以液壓泵的輸出流量總是與液壓缸負載所需的流量相吻合。工進結束后，壓力繼電器5使二位二通閥3和二位四通閥4換向，調速閥2再次被短接，液壓缸活塞實現快退。

圖1 容積節流調速回路工作原理

2 AMESim仿真分析

2.1 模型建立

根據容積節流調速回路工作原理[5-6]，利用AMESim軟件搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 容積節流調速回路AMESim仿真模型

2.2 參數設置

各子模塊的參數設計如表1所示，其他參數保持默認。

表1 參數設置表

2.3 仿真結果分析

根據已知條件，設定負載變化情況為：仿真時間0～5 s之間為500～1 000 N，此時回路處于快進階段；仿真時間5～10 s之間為2 000～20 000 N，此時容積調速回路處于工進階段；仿真時間10～15 s之間為500～1 000 N，此時容積調速回路處于快退階段。利用AMESim信號模塊，設定參數得到負載隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 負載力隨時間變化曲線圖

通過AMESim信號庫對系統壓力繼電器5進行建模及參數設置，圖4所示為控制仿真得出的兩位兩通輸入信號變化曲線及流量變化曲線。

圖4 兩位兩通輸入信號及流量變化曲線圖

從仿真結果看出，在仿真時間為0～5 s及10～20 s時，兩位兩通電磁換向閥處于左位工作，此時節流閥被短接，液壓泵1以最大流量q=75.99 L/min給液壓缸供油，實現快速進給。由液壓泵設定參數，以及計算可得理論流量為

q=V×n=800×95=76(L/min)

(1)

仿真得出值與理論值基本一致，說明了模型的正確性。

圖5為液壓缸速度變化曲線圖。從仿真結果可以看出，在仿真時間為0～5 s及10～20 s時液壓缸的速度絕對值都約為0.21 m/s；仿真時間為5～10 s時速度約為0.16 m/s。同時可以發現，在工進過程中，雖然外加負載由2 000 N增加到20 000 N，由于節流閥2和負載敏感泵相互補償作用，整個過程總液壓缸的速度基本保持恒定，不受負載變化的影響。

圖5 液壓缸速度、流量變化曲線圖

又由液壓缸速度公式

(2)

將仿真獲得的快進、工進流量75.9 L/min、55.9 L/min以及液壓缸活塞直徑及活塞桿直徑100 mm、50 mm代入式(2)，計算可以得出仿真獲得的快進、快退的速度值基本一致，約為0.21 m/s，再一次驗證了模型的正確性。

下面通過改變液壓缸泄漏間隙值的大小：分別取值為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm，來仿真不同泄漏間隙值下液壓缸速度的大小。

圖6定量分析了泄漏量對閥芯速度大小及穩定性的影響，改變BAF01模型參數，分別對泄漏模塊中直徑間隙取值為0.1 mm、0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm，定量分析泄漏量對閥芯速度的影響。

圖6 不同液壓缸泄漏間隙下速度曲線

仿真發現在泄漏間隙為0.1 mm時，活塞工進過程的速度基本恒定：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.165 m/s、0.160 m/s；泄漏間隙為0.3 mm時，活塞工進過程的速度基本恒定，但是整體速度有所降低：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.159 m/s、0.152 m/s；泄漏間隙為0.5 mm時，活塞工進過程的速度隨著負載增加而逐漸降低：仿真時間為5.4 s和9.9 s時速度分別為0.157 m/s、0.128 m/s，降低幅值為0.029 m/s；當泄漏間隙為0.7 mm時，速度降低的幅值進一步增加到0.069 m/s。

由此得出隨著液壓缸泄漏間隙的增大，活塞的平均速度逐漸降低，并且隨著負載的增加，系統速度的穩定性逐漸降低。同時發現在泄漏間隙為0.5 mm時，系統換向時速度的沖擊最小，這也為容積節流調速回路結構設計及優化提供了一定的參考。

3 結語

本文基于AMESim建立了容積節流調速回路仿真模型，仿真研究了模型的正確性，同時分析研究了液壓缸泄漏對系統穩定性的影響。

仿真得出隨著液壓缸泄漏間隙的增大，活塞的平均速度逐漸降低，并且隨著負載的增加，系統速度的穩定性逐漸降低；同時發現在本工況下，泄漏間隙為0.5 mm時，系統換向時速度的沖擊最小。該結論為提高調速回路的精度提供了理論依據。