賈江波，文艷格，顧海榮

（長安大學工程機械學院，陜西 西安710064）

0 前言

負載敏感系統(tǒng)是一種通過感受工作負載需求，僅向系統(tǒng)提供所需流量和壓力的液壓回路，在工程機械領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在主閥關(guān)閉過快而導致系統(tǒng)壓力沖擊的問題，造成密封裝置和管道壽命降低、性能下降，有時還會導致設(shè)備損壞。針對液壓系統(tǒng)壓力沖擊問題，李寧[1]等對液壓系統(tǒng)沖擊產(chǎn)生的原因進行了分析，建立了流體突然停止運動和運動部件突然制動時產(chǎn)生液壓沖擊的數(shù)學模型。趙燕[2]等通過仿真分析得出主泵排量的響應(yīng)速度明顯滯后于主閥閥芯位移，導致主閥關(guān)閉過程中出現(xiàn)系統(tǒng)流量過剩，從而引起壓力沖擊。張軍[3]等通過試驗的方法對影響液壓系統(tǒng)沖擊特性的因素進行了定性分析，但未進行深入的定量分析。因此，本文在目前研究的基礎(chǔ)上，建立負載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型，探究影響液壓系統(tǒng)沖擊的特性的因素并進行精確的定量分析，為削減系統(tǒng)沖擊提供一定的參考。

1 系統(tǒng)壓力沖擊分析

在負載敏感液壓系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)通過主泵自動調(diào)節(jié)變量機構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)流量壓力的實時控制，在主泵負載敏感閥的作用下，系統(tǒng)壓力與負載壓力的差值始終維持在設(shè)定壓差范圍，系統(tǒng)流量與負載所需流量自動匹配。當主閥快速關(guān)閉時，變量泵排量調(diào)節(jié)機構(gòu)的響應(yīng)速度滯后于主閥的關(guān)閉速度，主閥關(guān)閉的瞬間，主泵仍維持較大排量持續(xù)為系統(tǒng)供油，多余的流量在管路內(nèi)聚集造成壓力沖擊[3]。主泵口到主閥之間的管路可視為一個動態(tài)封閉容腔，根據(jù)液壓壓力梯度公式可知，由于主閥關(guān)閉而產(chǎn)生的系統(tǒng)壓力沖擊增量[4]為：

其中，Ep為管路內(nèi)油液的體積模量；VP為管路的有效體積，m3；t為主閥關(guān)閉時間，ms；ΔQP為單位時間流入與流出動態(tài)封閉容腔的流量差。

根據(jù)式（1）可知，系統(tǒng)沖擊與主閥關(guān)閉時間t和ΔQP有關(guān)，ΔQP與系統(tǒng)流量有關(guān)，而系統(tǒng)流量受控于主閥的開口大小和關(guān)閉時間。因此，可以得出系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時間對系統(tǒng)沖擊產(chǎn)生影響，而負載壓力PL對系統(tǒng)沖擊不產(chǎn)生影響。

2AMESim模型

利用AMEsim軟件中HCD庫建立系統(tǒng)仿真模型對負載敏感系統(tǒng)沖擊特性進行分析[5-6]。

如圖1所示，仿真模型包括變量泵、負載敏感閥、壓力切斷閥、壓力補償閥、主閥和模擬加載閥。將主閥進行簡化處理，使用可變節(jié)流閥進行代替。其中主泵排量設(shè)置為28 mL/r，轉(zhuǎn)速2 000 r/min，安全溢流壓力20 MPa，仿真時間15 s，采樣間隔1 ms。

圖1 負載敏感液壓系統(tǒng)仿真模型

模擬主閥打開、保持和復位的一個工作循環(huán)，監(jiān)測主泵出口處的系統(tǒng)壓力PS、系統(tǒng)流量Q、負載壓力PL、得到如圖2所示的曲線。

圖2 模型仿真曲線

可以看出，0～3 s內(nèi)，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，Q幾乎為0，PL為0，PS為2.6 MPa，兩者差值為 2.6 MPa；t=3 s時，主閥打開并且維持開口不變，此時Q穩(wěn)定為 30 L/min，PL上升到 4 MPa，PS穩(wěn)定在 6.6 MPa，兩者差值為2.6 MPa；t=9 s時，主閥關(guān)閉，Q和PL回落到0，PS值先是瞬間升高到9.5 MPa后逐漸回落，出現(xiàn)明顯的沖擊現(xiàn)象，沖擊增量約為2.9 MPa，最終PS與PL差值恢復到2.6 MPa。仿真結(jié)果與負載敏感泵樣本的參數(shù)一致，驗證了模型的正確性。

3 仿真分析

通過負載敏感液壓系統(tǒng)模型和AMEsim批處理功能進行仿真分析。

3.1 系統(tǒng)流量對沖擊的影響

設(shè)定負載壓力為4 MPa，主閥關(guān)閉時間為50 ms，分別在系統(tǒng)流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min的條件下進行仿真，得到不同系統(tǒng)流量下的壓力沖擊曲線，如圖3所示。

圖3 不同系統(tǒng)流量下的壓力沖擊曲線

由圖3可知，在系統(tǒng)流量QP=10 L/min、QP=20 L/min、QP=30 L/min條件下，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達到了9.5 MPa、8.4 MPa、7.5 MPa，表明系統(tǒng)流量對系統(tǒng)壓力沖擊影響較大，隨著系統(tǒng)流量的增大，系統(tǒng)沖擊增大。

3.2 主閥關(guān)閉時間對沖擊的影響

設(shè)定系統(tǒng)流量QP=30 L/min，負載壓力為4 MPa，分別在主閥關(guān)閉時間為 50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms的條件下進行仿真。得到不同主閥關(guān)閉時間下的壓力沖擊曲線，如圖4所示。

圖4 不同主閥關(guān)閉時間下的壓力沖擊曲線

由圖4可知，主閥關(guān)閉時間為50 ms、100 ms、200 ms、500 ms、800 ms、1 000 ms時，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達到了 9.5 MPa、7.9 MPa、7.3 MPa、6.9 MPa、6.7 MPa、6.6 MPa，沖擊增量分別為 2.9 MPa、1.3 MPa、0.7 MPa、0.3 MPa、0.1 MPa、0 MPa，表明主閥關(guān)閉時間對系統(tǒng)壓力沖擊影響較大，隨著主閥關(guān)閉時間的延長，沖擊逐漸減小，當主閥關(guān)閉時間大于500 ms，沖擊幾乎消失。

3.3 負載壓力對沖擊的影響

設(shè)定系統(tǒng)流量QP=30 L/min，主閥關(guān)閉時間50 ms，分別在負載壓力為 4 MPa、6 MPa、8 MPa 的條件下進行仿真。得到不同負載壓力下系統(tǒng)壓力沖擊曲線，如圖5所示。

圖5 不同負載壓力下壓力沖擊曲線

由圖5可知，在負載壓力為4 MPa、6 MPa、8 MPa時，系統(tǒng)壓力沖擊峰值分別達到了13.2 MPa、11.3 MPa、9.5 MPa，沖擊增量分別為 2.6 MPa、2.7 MPa、2.9 MPa，沖擊增量基本接近，但存在一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因是隨著負載壓力增大，系統(tǒng)壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。

4 結(jié)論

針對負載敏感液壓系統(tǒng)中主閥關(guān)閉過快導致的壓力沖擊問題，建立了負載敏感系統(tǒng)壓力沖擊仿真模型，探究系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時間、負載壓力等因素對系統(tǒng)壓力沖擊的影響。

（1）建立了負載敏感液壓系統(tǒng)AMESim模型，模擬系統(tǒng)工作過程，驗證了模型的正確性；

（2）通過模型仿真分析得出系統(tǒng)壓力沖擊與負載壓力無關(guān)，與系統(tǒng)流量、主閥關(guān)閉時間有關(guān)，系統(tǒng)流量越大，主閥關(guān)閉時間越短，系統(tǒng)壓力沖擊值越大。

（3）在不同負載壓力下，系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力沖擊增量存在一定的誤差，產(chǎn)生誤差的原因是隨著負載壓力增大，系統(tǒng)壓力增大，管路的泄露增加，沖擊值略有下降。