郜立煥，劉錦陽，李健仁，水清皎，鄭吉

(1. 蘭州理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，甘肅蘭州730050;2. 山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧272073)

液壓挖掘機(jī)作為一類快速、高效的施工機(jī)械在現(xiàn)代化施工建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是由于挖掘時(shí)挖掘工況的不確定性，也就是挖掘力的不確定性，會(huì)出現(xiàn)泵供油不足的情況，功率損失大，油耗高、經(jīng)濟(jì)性差和排放不好［1－3］。針對(duì)這種情況，力士樂公司開發(fā)了負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)［4］。

1 液壓挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)建模分析

挖掘機(jī)負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)因?yàn)榫哂辛髁糠峙洳皇茇?fù)載干擾和抗飽和能力而得到廣泛應(yīng)用，負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵控系統(tǒng)和多路閥系統(tǒng)組成，其中決定其具有負(fù)載獨(dú)立流量分配特定和抗飽和能力的是具有壓力補(bǔ)償功能的多路閥系統(tǒng)［5－6］。

1.1 建立多路閥的數(shù)學(xué)模型

1.1.1 建立節(jié)流閥的數(shù)學(xué)模型

液壓泵的出口壓力經(jīng)過多路閥時(shí)首先進(jìn)入節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流，節(jié)流閥的運(yùn)動(dòng)通過控制先導(dǎo)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，為建模仿真簡(jiǎn)化，將先導(dǎo)壓力等效為手柄的作用力，即不論何種調(diào)節(jié)方式統(tǒng)一等效為調(diào)節(jié)手柄。節(jié)流閥閥芯運(yùn)動(dòng)微分方程:

式中:F 為節(jié)流閥閥芯上作用的控制力;

F0為節(jié)流閥彈簧預(yù)調(diào)力;

Mm為節(jié)流閥閥芯閥質(zhì)量;

Bm為節(jié)流閥閥芯的黏性阻尼系數(shù);

xm為節(jié)流閥芯位移;

km為主閥對(duì)中彈簧剛度。

對(duì)公式(1)進(jìn)行拉普拉斯變換得

1.1.2 建立壓力補(bǔ)償閥的數(shù)學(xué)模型

壓力補(bǔ)償閥是負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)中進(jìn)行流量分配的關(guān)鍵部件，當(dāng)壓力補(bǔ)償閥接收到來自負(fù)載的壓力信號(hào)，開始移動(dòng)，直到平衡，則移動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

式中:p1為壓力補(bǔ)償閥進(jìn)油口壓力;

pV為經(jīng)過比較器比較后的最大負(fù)載壓力;

m 為壓力補(bǔ)償閥閥芯質(zhì)量;

x 為壓力補(bǔ)償閥閥芯位移;

B 為油液黏性阻尼系數(shù)。

對(duì)公式(3)進(jìn)行拉普拉斯變換得

2 多路閥參數(shù)對(duì)執(zhí)行元件流量和位移的影響

負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)具有負(fù)載獨(dú)立和流量按比例分配的特性，通過分析不同負(fù)載時(shí)的流量輸出可得出這些特性。將分析多路閥的的參數(shù)對(duì)流量輸出的影響，選擇一聯(lián)進(jìn)行分析，為了便于比較對(duì)照，在MATLAB/SIMULINK 仿真中建立如圖1 所示的框圖，其中System 組為原參數(shù)，另一組為修改后的參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行仿真比較。

圖1 多路閥參數(shù)模擬對(duì)照框圖

2.1 壓力補(bǔ)償閥參數(shù)的影響

改變多路閥壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度，壓力補(bǔ)償閥原來的彈簧剛度為64.25 N/m，為了比較明顯地看出彈簧剛度的影響，將其調(diào)為100 N/m。

在圖2 中曲線1 表示原參數(shù)流量，曲線2 表示彈簧剛度調(diào)節(jié)后的流量，從圖中可以看出彈簧剛度變大后，輸出的流量顯著降低。改變壓力補(bǔ)償閥的阻尼比，原阻尼比為3.36 N·m/s，將其調(diào)整為5 N·m/s，其變化圖形如圖3 所示。

圖2 改變壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度前后流量比較圖

圖3 改變壓力補(bǔ)償閥阻尼比前后流量比較圖

從圖3 可以看出流量的變化主要分布在開始階段，在1 s 后基本看不出流量變化。為了更清晰地看到開始階段的流量變化，對(duì)前2 s 進(jìn)行仿真，如圖4所示。

圖4 改變壓力補(bǔ)償閥阻尼比前后流量比較(放大)圖

改變壓力補(bǔ)償閥直徑，將壓力補(bǔ)償閥的直徑由0.025 m 調(diào)為0.028 m，則變換前后流量輸出如圖5所示。

圖5 壓力補(bǔ)償閥直徑變換前后流量比較圖

通過分析圖2—5 發(fā)現(xiàn)，壓力補(bǔ)償閥的參數(shù)變化對(duì)多路閥的流量產(chǎn)生一定的影響，其中壓力補(bǔ)償閥彈簧剛度和閥芯直徑的變化對(duì)流量的影響比較顯著，這兩個(gè)量的微小變化就可以導(dǎo)致較大的流量變化;阻尼比對(duì)流量的影響主要在開始階段，隨著時(shí)間的推移，其影響逐漸減小。

2.2 節(jié)流閥參數(shù)對(duì)多路閥流量的影響

改變節(jié)流閥的彈簧剛度，節(jié)流閥彈簧剛度由82.56 N/m 變換為100 N/m，變化圖形如圖6 所示。

圖6 節(jié)流閥彈簧剛度改變前后流量比較圖

通過仿真圖可以看到節(jié)流閥彈簧剛度變換前后流量沒有變化，說明彈簧剛度對(duì)流量影響小到可忽略的程度。進(jìn)一步改變節(jié)流閥的其他參數(shù)，改變節(jié)流閥的阻尼比和閥芯直徑，均得到同圖6 圖形，說明這些參數(shù)對(duì)流量的影響也可忽略。

3 結(jié)論

對(duì)挖掘機(jī)負(fù)載獨(dú)立流量系統(tǒng)中的多路閥進(jìn)行研究分析，建立了多路閥的模型。通過仿真的結(jié)果表明，在負(fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng)中，通過改變多路閥中壓力補(bǔ)償閥和節(jié)流閥的參數(shù)，觀察參數(shù)改變對(duì)流量的影響，得出多路閥的參數(shù)中對(duì)流量的影響較大的是壓力補(bǔ)償閥，節(jié)流閥幾乎沒有影響，其中尤其以壓力補(bǔ)償閥的彈簧剛度和閥芯直徑對(duì)流量影響大。為今后多路閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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【6】顧臨怡，謝英俊.多執(zhí)行器負(fù)載敏感系統(tǒng)的分流控制發(fā)展綜述［J］.機(jī)床與液壓，2001(3):3 －6.

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