劉金剛，唐文斌，鄭少青，祝建仁，李少云

（湘潭大學(xué)機械工程學(xué)院，湖南 湘 潭 4 11105）

隨著科技的進步，計算機及一些仿真軟件的出現(xiàn)，模擬仿真已成為設(shè)計制造的第一步，仿真結(jié)果對設(shè)計制造具有重要的指導(dǎo)意義。隨著我國液壓挖掘機迅速發(fā)展，很多學(xué)者對挖掘機液壓系統(tǒng)進行了仿真研究[1~3]，但是文獻中的仿真模型，都是選用定量泵模型代替變量泵模型。目前定量泵在挖掘機液壓系統(tǒng)中已經(jīng)被淘汰，對定量泵挖掘機系統(tǒng)的仿真，不能滿足對目前挖掘機系統(tǒng)的研究，其仿真結(jié)果也沒有太大的參考價值。

也有很多學(xué)者詳細地分析和研究了液壓變量泵，根據(jù)變量泵的幾何參數(shù)，搭建了復(fù)雜的仿真模型[4~5]，這種建模方法復(fù)雜，且仿真結(jié)果與實際有一定的誤差，因此對挖掘機液壓系統(tǒng)研究時，這種方法也不可取。

考慮上述兩種情況，本文提出了一種新的變量泵建模方法——根據(jù)泵的實驗數(shù)據(jù)和控制方式建模，該建模方法簡單，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合。本文討論的的變量泵模型具有恒功率控制、負(fù)流量控制、壓力切斷控制功能[6]，與挖掘機實際控制方式相符，為液壓挖掘機系統(tǒng)仿真分析提供了有效的幫助。

1 建模的思路及依據(jù)

本文研究液壓挖掘機的變量泵，具有恒功率控制、負(fù)流量控制、壓力切斷控制功能，在挖掘機工作時，3種控制系統(tǒng)是相互獨立、互不影響的，由于各控制系統(tǒng)的目的，是使挖掘機系統(tǒng)在各種工況下節(jié)能，故在控制器輸出時，應(yīng)遵循最小能耗原則[7~8]，即哪一個控制器的輸出能使發(fā)動機負(fù)載功率最小，則選擇哪一個控制器的輸出。因為控制器輸出的是排量，所以任何時刻都是使泵輸出排量最小的控制系統(tǒng)起作用。

恒功率控制系統(tǒng)泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關(guān)系為

壓力切斷控制系統(tǒng)中泵出口流量Qq與泵出口壓力P的關(guān)系為

負(fù)流量控制系統(tǒng)中泵出口流量Qf與負(fù)流量控制壓力Pi的關(guān)系為

上述3式中，

W為發(fā)動機的額定功率；

Qmax為泵出口最大流量；

P為泵出口壓力；

PS為恒功率控制泵的啟調(diào)壓力；

PCO為壓力切斷閥切斷壓力。

恒功率控制泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關(guān)系，負(fù)流量控制泵出口流量Qf與負(fù)流量控制壓力Pi的關(guān)系，可以通過實驗得出。將實驗數(shù)據(jù)在MATLAB中用線性插值法，可以繪制P-Qh曲線、Pi-Qf曲線如圖1、圖2所示，然后將兩曲線分別保存到二維數(shù)組 A[P，Q]、B[Pi，Q]中，最后輸出 P-Q.dat和Pi-Q.dat文件。壓力切斷控制時的切斷壓力PCO根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)定，一般比負(fù)載最大壓力大一點。根據(jù)最小能耗原則，具有這3種控制方式的變量泵出口流量

圖1 恒功率控制時的實驗數(shù)據(jù)

圖2 負(fù)流量控制時的實驗數(shù)據(jù)

2 單控制方式液壓泵的建模

2.1 液壓泵恒功率控制模型

在AMEsim中搭建恒功率泵的仿真模型，如圖3所示。

圖3 液壓泵恒功率控制模型

在圖3中，通過可調(diào)溢流閥來調(diào)節(jié)負(fù)載壓力從0上升到35MPa，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，信號函數(shù)的文本數(shù)據(jù)設(shè)置為P-Q.dat數(shù)據(jù)文件，運行仿真后，可得到泵出口流量與壓力的曲線，如圖4所示。

圖4 恒功率泵出口流量壓力曲線

對比圖1的P-Q曲線可知，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合，因此該恒功率控制變量泵模型能夠反映實際情況。

2.2 液壓泵負(fù)流量控制模型

在AMEsim中搭建負(fù)流量控制泵的仿真模型，如圖5所示。

圖5 液壓泵負(fù)流量控制模型

在圖5中負(fù)流量控制口壓力由壓力源輸入0～4 MPa的壓力，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，信號函數(shù)的文本數(shù)據(jù)設(shè)置為Q-Pi.dat數(shù)據(jù)文件，運行仿真后，可得到泵出口流量與負(fù)流量控制口壓力的曲線如圖6所示。

圖6 泵出口流量與負(fù)流量控制口壓力曲線

對比圖2的Q-Pi曲線可知，仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合，該負(fù)流量控制模型是有效的。

2.3 液壓泵壓力切斷控制模型

在AMEsim中搭建液壓泵壓力切斷控制模型，如圖7所示。

圖7 液壓泵壓力切斷控制模型

圖7中可調(diào)溢流閥來調(diào)節(jié)負(fù)載壓力從0上升到40 MPa，溢流閥的溢流壓力為39 MPa，假設(shè)液壓系統(tǒng)中壓力切斷閥的切斷壓力PCO=36 MPa，泵出口流量壓力如圖8所示。當(dāng)泵出口壓力達到36 MPa時，泵出口流量為0，所以該模型具有壓力切斷功能。

圖8 液壓泵出口流量壓力曲線

從上述3種控制方式的變量泵模型可以看出，這種根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立的模型，仿真結(jié)果完全取決與實驗數(shù)據(jù)，不會像根據(jù)幾何尺寸建模那樣，模型仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)有一定的誤差。

所以在挖掘機液壓系統(tǒng)仿真中，這種變量泵模型要優(yōu)于根據(jù)幾何尺寸所建的模型。下面的工作就是把這3種單獨控制模型組合在一起，建立一個具有這3種功能的變量泵模型，并在液壓系統(tǒng)中仿真分析，證明該變量泵模型能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合控制。

3 挖掘機回轉(zhuǎn)油路復(fù)合控制系統(tǒng)仿真分析

3.1 挖掘機回轉(zhuǎn)油路建模

以挖掘機回轉(zhuǎn)油路為例，結(jié)合上述3種控制方法，在AMEsim中搭建回轉(zhuǎn)換向閥的復(fù)合控制仿真模型如圖9所示。

圖9 挖掘機回轉(zhuǎn)油路復(fù)合控制仿真模型

在圖9中，可調(diào)溢流閥代替負(fù)載裝置，負(fù)載壓力通過壓力源設(shè)定，多路換向閥模型由HCD庫的元件組合搭建[9~11]。中位旁通油路上有一固定節(jié)流口，作為負(fù)流量控制檢測裝置，檢測此處的壓力信號，然后控制泵出口流量。變量泵旁邊是一個信號輸出函數(shù)f（x，y，z），

其函數(shù)意義是輸出x，y，z信號的最小值，其中x表示壓力切斷控制信號，y表示負(fù)流量控制信號，z表示恒功率控制信號。

在該挖掘機回轉(zhuǎn)仿真模型中，所有參數(shù)都是根據(jù)實物測繪后計算所得，換向閥芯中位節(jié)流口通流面積的具體計算方法，已有許多學(xué)者進行了探討[12~13]，這里不過多的討論。將計算的結(jié)果保存為.dat數(shù)據(jù)文檔，導(dǎo)入到AMEsim中仿真計算。換向閥閥芯通流面積與換向行程之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 回轉(zhuǎn)換向閥節(jié)流口通流面積

Aa表示泵出口油路P口到工作油路A口的面積，Ao表示泵出口油路P口到中位回油口O的面積，Ab表示泵出口油路P口到工作油路B口的面積。

其他一些重要參數(shù)如下所示：

油液的密度870 kg/m3；

體積彈性模量1 700 MPa；

溫度40℃；

液壓泵排量112 L/min；

額定轉(zhuǎn)速1 950 r/min；

彈簧剛度145 N/mm；

預(yù)壓縮量1 mm；

換向閥行程10 mm；

負(fù)流量檢測孔的直徑3.2 mm。

3.2 仿真結(jié)果分析

在壓力源中輸入壓力信號，使負(fù)載壓力從0上升到37 MPa，設(shè)置各子模型的參數(shù)，仿真結(jié)果如圖11所示。圖11（a）是控制變量泵的輸入信號 x、y、z與泵出口壓力的曲線，圖11（b）是泵出口流量與出口壓力曲線。

圖11 液壓泵出口流量特性

對比兩幅圖可知，當(dāng)泵出口壓力在0～22.6 MPa時，泵出口流量由信號y控制，即負(fù)流量控制；當(dāng)泵出口壓力在22.6～35 MPa時，泵出口流量由信號z控制，即恒功率控制，當(dāng)泵出口壓力超過35 MPa時，壓力切斷控制開始起作用，由于切斷壓力取的是36 MPa，雖然負(fù)載最大壓力調(diào)到了37 MPa，但泵出口壓力最大仍然是36 MPa，且此時泵出口流量為0。

所以，該變量泵模型能根據(jù)不同的工況，采用不同的控制方式，具有復(fù)合控制功能，與實際挖掘機液壓系統(tǒng)相符，可以用于挖掘機系統(tǒng)仿真研究。

4 結(jié)束語

本文在AMEsim中建立挖掘機復(fù)合控制泵模型，仿真結(jié)果表明，該模型能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機液壓泵的復(fù)合控制功能。這種建模方法對其他控制方式泵的建模，有一定的借鑒作用，為挖掘機液壓系統(tǒng)仿真分析提供了幫助。

[1]何清華，張大慶，郝 鵬，等.液壓挖掘機工作裝置仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，（3）：735-738.

[2]譚宗柒，戴浩林.基于AMESim的雙閥芯控制液壓缸研究[J].起重運輸機械，2008，（10）：13-16.

[3]王 濤，陶 薇.基于AMESim的液壓挖掘機運動仿真及控制參數(shù)優(yōu)化[J].機床與液壓，2009，（7）：180-182.

[4]張萬軍.柱塞泵總功率與負(fù)流量控制分析[D].四川:西南交通大學(xué)，2010.

[5]盧 寧，付永領(lǐng)，孫新學(xué).基于AMEsim的雙壓力柱塞泵的數(shù)字建模與熱分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2006，（9）：1055-1058.

[6]Eugeniusz Budny Miroslaw Chlosta Witold Gutkowski.Loadindependent control of a hydraulic excavator[J].Automation in Construction,2003，2003（12）:245-254.

[7]高 峰.液壓挖掘機節(jié)能控制技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[8]高 峰，潘雙夏.負(fù)流量控制模型與試驗研究[J].機械工程學(xué)報，2005，（7）：107-111.

[9]梁曉娟.基于AMESim三位四通閥動態(tài)仿真研究[J].煤礦機電，2009，174（5）：34-36.

[10]尚 剛，權(quán) 龍.基于AMESim的挖掘機回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真分析[J].液壓氣動與密封，2009，137（5）：49-51.

[11]冀 謙.基于AMESim的小型液壓挖掘機液壓回路仿真研究[J].機械研究與應(yīng)用，2009，103（5）：42-44.

[12]冀 宏,王東升，劉小平，等.滑閥節(jié)流槽閥口的流量控制特性[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，（1）：198-202.

[13]冀 宏，傅 新，楊華勇.幾種典型液壓閥口過流面積分析及計算[J].機床與液壓，2003，（5）：14-16.