付久長(zhǎng),米雙山,劉鵬遠(yuǎn),韓翠娥,張王衛(wèi)
(軍械工程學(xué)院,河北石家莊050003)
蓄能器作為液體壓力能的儲(chǔ)存和釋放裝置,在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛的運(yùn)用。某液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器是集蓄能器、單向閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥于一體的組合元件。該調(diào)節(jié)蓄能器在液壓系統(tǒng)中具有保壓、供油、泄荷等功能,因此成為該液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。由于調(diào)節(jié)蓄能器尤其是其端蓋部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊,采用常規(guī)手段檢測(cè)及研究其性能有一定的困難。使用AMESim建立調(diào)節(jié)蓄能器仿真模型,為該元件的性能研究提供了高效可行的方法。
該調(diào)節(jié)蓄能器為活塞式蓄能器,內(nèi)部預(yù)充純氮。其端蓋部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)蓄能器的進(jìn)油口處設(shè)有單向閥,用以保證蓄能器在加壓之后不反向供油。調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)蓄能器內(nèi)的油液壓力,當(dāng)未達(dá)到工作壓力時(shí),調(diào)節(jié)閥關(guān)閉,蓄能器開始建壓;當(dāng)超過(guò)工作壓力之后調(diào)節(jié)閥開啟,齒輪泵泄荷。如此循環(huán),保證蓄能器的壓力維持在可用的范圍之內(nèi)。端蓋處的安全閥,其開啟壓力高于調(diào)節(jié)閥的開啟壓力,在液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致蓄能器無(wú)法出油時(shí),保證蓄能器及整個(gè)油源回路的安全。
根據(jù)調(diào)節(jié)蓄能器的結(jié)構(gòu),運(yùn)用AMESim對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器每個(gè)組成部件進(jìn)行建模,根據(jù)調(diào)節(jié)蓄能器實(shí)際參數(shù)設(shè)置模型參數(shù)。
圖1 調(diào)節(jié)蓄能器端蓋結(jié)構(gòu)圖
調(diào)節(jié)蓄能器主體部分為充氮活塞式蓄能器,其壓力與體積符合波爾定律
式中:p0為充氣壓力;
p1為最低工作壓力;
p2為最高工作壓力;
V1,V2分別為對(duì)應(yīng)于p1,p2時(shí)氣體體積;
n為多方指數(shù),因調(diào)節(jié)蓄能器在某液壓系統(tǒng)中充放油均在1 min內(nèi)進(jìn)行,可以近似為絕熱過(guò)程,因此該值取1.4。
在AMESim中選取模型HA000-1作為調(diào)節(jié)蓄能器的蓄能裝置,其參數(shù)如表1所示。
表1 蓄能裝置參數(shù)
調(diào)節(jié)蓄能器端蓋單向閥為錐閥芯密封式直通單向閥結(jié)構(gòu),忽略閥芯與閥體的摩擦力,閥芯受力為
其中:p1為單向閥進(jìn)口油壓;
p2為單向閥出口油壓;
D1為單向閥進(jìn)油口直徑;
D2為閥芯彈簧套內(nèi)徑;
D3為閥芯彈簧套外徑;
F1為單向閥彈簧預(yù)緊力;
K為彈簧彈性系數(shù);
x為閥芯位移量。
當(dāng)F<0,閥口關(guān)閉;F≥0,閥口開啟。
其AMESim模型如圖2所示。
圖2 減壓閥仿真模型
單向閥仿真參數(shù)如表2所示。
表2 單向閥仿真參數(shù)
調(diào)節(jié)蓄能器調(diào)節(jié)閥根據(jù)蓄能器內(nèi)油壓調(diào)整進(jìn)油口的溢流量,從而使蓄能器油壓穩(wěn)定在合理范圍之內(nèi)。調(diào)節(jié)閥中主要作用部件為滑桿,連接蓄能器蓄能腔、進(jìn)油口和溢流口,控制閥口的啟閉?;瑮U受力
其中:p2為蓄能器油腔壓力;
p1為蓄能器進(jìn)油口壓力;
D1為滑桿最大外徑;
D2為滑桿進(jìn)油口端最小外徑;
D3為溢流口直徑;
F1為彈簧預(yù)緊力;
K為彈簧彈性系數(shù);
x為滑桿位移量。
當(dāng)F>0時(shí),閥口開啟,液壓泵卸荷,蓄能器不再進(jìn)油;當(dāng)F≤0時(shí),閥口關(guān)閉,蓄能器進(jìn)油。
利用AMESim建立的調(diào)節(jié)閥仿真模型如圖3所示。
圖3 調(diào)節(jié)閥仿真模型
仿真參數(shù)如表3所示。
表3 調(diào)節(jié)閥仿真參數(shù)
調(diào)節(jié)蓄能器安全閥是蓄能器及整個(gè)液壓系統(tǒng)油源回路的保護(hù)裝置。其工作原理為:當(dāng)蓄能器壓力超過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)上限時(shí),安全閥閥芯1在液壓力的作用下推動(dòng)閥座2,閥芯和閥座一起運(yùn)動(dòng)到一定距離后,閥芯1停止運(yùn)動(dòng),閥座2在液壓力的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng),與閥芯分離,油液從蓄能器壓力腔溢出,從而保證蓄能器安全運(yùn)行。其閥座受力為:
第一階段,閥芯推動(dòng)閥座向后運(yùn)動(dòng)
第二階段,液壓力推動(dòng)閥座向后運(yùn)動(dòng),開始溢流
其中:p1為蓄能器油壓;
D1為安全閥閥芯外徑;
D2為安全閥閥座外徑;
D3為安全閥閥座內(nèi)徑;
F1為閥芯彈簧預(yù)緊力;
K1為閥芯彈簧彈性系數(shù);
x1為閥芯位移量;
F2為閥座彈簧預(yù)緊力;
K2為閥座彈簧彈性系數(shù);
x2為閥座位移量。
利用AMESim根據(jù)其工作機(jī)理,建立其仿真模型如圖4所示。
圖4 安全閥仿真模型
其仿真參數(shù)如表4所示。
表4 安全閥仿真參數(shù)
為了更好地驗(yàn)證模型的正確性,按照該液壓系統(tǒng)實(shí)際油源回路和解鎖回路建立調(diào)節(jié)蓄能器的仿真回路。整體模型如圖5所示。
圖5 調(diào)節(jié)蓄能器仿真回路
對(duì)仿真回路進(jìn)行40 s仿真,t=020 s時(shí),換向閥5位于中位,建立油源壓力,液壓泵向蓄能器充油;t =2030 s時(shí),換向閥5于左位,液壓油經(jīng)過(guò)減壓閥6進(jìn)行減壓和穩(wěn)壓,再經(jīng)增壓油缸7增壓,最后經(jīng)液控單向閥8進(jìn)入穩(wěn)定鎖9進(jìn)行解鎖;t=3040 s時(shí),換向閥位于右位,液控單向閥被反向開啟,穩(wěn)定鎖油腔卸荷,穩(wěn)定鎖閉鎖。調(diào)節(jié)蓄能器油腔壓力仿真結(jié)果如圖6所示。蓄能器在15 s內(nèi)壓力達(dá)到16.42 MPa,符合該液壓系統(tǒng)液壓油源在1520 s內(nèi)建壓的技術(shù)要求;蓄能器油壓在達(dá)到16.45 MPa后,雖然液壓泵仍在工作,但蓄能器壓力不再上升,符合調(diào)節(jié)蓄能器壓力上限16.5 MPa的技術(shù)要求,說(shuō)明蓄能器調(diào)節(jié)閥建模準(zhǔn)確。穩(wěn)定鎖鎖緊塊的仿真結(jié)果如圖7所示。三位四通閥位于左位時(shí),穩(wěn)定鎖鎖緊塊產(chǎn)生0.284 mm位移,解鎖成功;三位四通閥位于右位時(shí),穩(wěn)定鎖鎖緊塊位移回零,穩(wěn)定鎖閉鎖。仿真結(jié)果表明:仿真模型符合該液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器的各項(xiàng)技術(shù)要求且執(zhí)行動(dòng)作準(zhǔn)確,說(shuō)明仿真模型能較好地對(duì)該液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器的性能及工作進(jìn)行模擬。
圖6 調(diào)節(jié)蓄能器油腔壓力
圖7 穩(wěn)定鎖鎖緊塊位移
通過(guò)調(diào)節(jié)蓄能器模型的仿真,對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器的性能及可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析,仿真結(jié)果可為產(chǎn)品性能分析及故障診斷提供依據(jù)。
3.2.1 預(yù)充氣體壓力對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器的影響
在調(diào)節(jié)蓄能器氣腔預(yù)充氣壓力分別為 4,6,8,10 MPa的情況下,對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器建壓情況進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖8所示。
從仿真結(jié)果可知:在建壓至15 s時(shí),當(dāng)調(diào)節(jié)蓄能器預(yù)充壓力超過(guò)8 MPa,蓄能器達(dá)到建壓超過(guò)13 MPa的技術(shù)指標(biāo);而隨著調(diào)節(jié)蓄能器預(yù)充氣體壓力的減小,其建壓時(shí)間逐漸增長(zhǎng),說(shuō)明調(diào)節(jié)蓄能器建壓時(shí)間和預(yù)充氣體壓力大小成反相關(guān)。
3.2.2 調(diào)節(jié)閥彈簧失效對(duì)蓄能器及液壓回路的影響
調(diào)節(jié)蓄能器中調(diào)節(jié)閥對(duì)蓄能器最終建壓的大小起著決定作用。因該液壓系統(tǒng)在工作中需將蓄能器壓力調(diào)至最高,使得調(diào)節(jié)閥彈簧長(zhǎng)期處于壓縮狀態(tài),很容易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥彈簧疲勞失效。圖9和圖10分別為調(diào)節(jié)閥彈簧疲勞情況下彈簧預(yù)緊力損失70%、50%、30%以及正常情況下調(diào)節(jié)蓄能器建壓結(jié)果和穩(wěn)定鎖鎖緊塊的位移結(jié)果。
圖8 不同預(yù)充氣體壓力下蓄能器建壓結(jié)果
圖9 不同預(yù)緊力下蓄能器建壓結(jié)果
圖10 不同預(yù)緊力下鎖緊塊位移結(jié)果
由圖9可知:隨著彈簧疲勞失效的加深,蓄能器所能建立起來(lái)的最終壓力逐漸減小,當(dāng)彈簧預(yù)緊力減小到50%以后,蓄能器已不再起作用。由圖10可知:調(diào)節(jié)閥預(yù)緊力損失70%后,穩(wěn)定鎖不再工作;當(dāng)預(yù)緊力損失50%和30%,解鎖回路只能解鎖而無(wú)法閉鎖,表明液壓回路已無(wú)法正常工作。仿真結(jié)果表明:調(diào)節(jié)閥彈簧預(yù)緊力大小和調(diào)節(jié)蓄能器建壓的最終值成正相關(guān),并直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)能否正常工作。
3.2.3 液壓油混入空氣對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器的影響
液壓系統(tǒng)中液壓油中空氣的含量會(huì)直接影響液壓油的可壓縮性,圖11顯示了在液壓油中空氣含量(在絕對(duì)溫度和大氣壓下,空氣與氣液混合體體積之比)分別為 0.1%,1%,2%,3%的情況下,蓄能器的建壓情況。
由仿真結(jié)果可知,正常的空氣混入量對(duì)調(diào)節(jié)蓄能器建壓過(guò)程未造成嚴(yán)重的影響。但也可以看出:隨著液壓油中空氣含量的增加,蓄能器的建壓時(shí)間有所增長(zhǎng)。所以在使用液壓系統(tǒng)的過(guò)程中應(yīng)盡量減少空氣的混入量。
圖11 油液空氣含量對(duì)蓄能器建壓影響
以某液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)蓄能器為研究對(duì)象,通過(guò)分析調(diào)節(jié)蓄能器組成部件的工作原理及受力情況,建立了調(diào)節(jié)蓄能器的AMESim仿真模型。通過(guò)將調(diào)節(jié)蓄能器模型放入油源及解鎖液壓回路進(jìn)行仿真,得出以下結(jié)論:
(1)仿真驗(yàn)證表明:仿真模型可以較好地模擬調(diào)節(jié)蓄能器的工作情況。
(2)仿真分析結(jié)果表明:調(diào)節(jié)蓄能器的蓄能時(shí)間與蓄能器預(yù)充氣體壓力大小及液壓油空氣含量成負(fù)相關(guān);調(diào)節(jié)蓄能器調(diào)節(jié)閥彈簧的疲勞程度決定了調(diào)節(jié)蓄能器最終建壓大小,疲勞程度越小,調(diào)節(jié)蓄能器最終建壓值越接近最高壓力。
【1】賈銘新.液壓傳動(dòng)與控制[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.
【2】王紅玲,逯九利,田廣來(lái).基于AMESim的飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)數(shù)字仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(7): 117-120.
【3】劉雷,阮春紅.基于AMESim的重型車輛油氣懸架振動(dòng)特性仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(5):105-107.
【4】付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.
【5】付奇,劉旭.礦用液壓支架千斤頂泄漏原因與排除對(duì)策分析[J].潤(rùn)滑與密封,2009,34(9):120-123.
【6】羅詩(shī)淋,邢普,許瑛.全液壓推土機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(17):105-107.
【7】趙廣俊,呂建剛,宋彬,等.履帶車輛液壓儲(chǔ)能式制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(21): 132-135.
【8】王超,曾發(fā)林,劉蕾.基于AMESim的混凝土泵車擺系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2011,39(21):142-144.