賈振東，張洪波，劉鳳

（1.262400 山東省 濰坊市 山東昌樂縣農(nóng)村經(jīng)濟(jì)工作中心；2.221000 江蘇省 徐州市 徐州徐工農(nóng)業(yè)裝備科技有限公司；3.261000 山東省 濰坊市 濰坊職業(yè)學(xué)院）

0 引言

國內(nèi)工程機(jī)械在負(fù)載敏感多路閥領(lǐng)域缺乏自己的核心技術(shù)，基本以仿制國外產(chǎn)品為主，制造的液壓元件屬于低可靠性、低成本、中低檔次產(chǎn)品[1]，與國外產(chǎn)品相比沒有競爭力。國內(nèi)對基礎(chǔ)元件的試驗測試數(shù)據(jù)不足，缺少成熟的基礎(chǔ)理論支撐多路閥的設(shè)計開發(fā)。本文擬借助流體仿真技術(shù)，分析多路閥的變幅特性，為設(shè)計開發(fā)工作提供理論依據(jù)。

相關(guān)研究中，湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用AMESim 構(gòu)建了臂架多路閥的模型結(jié)構(gòu)，證明對于較復(fù)雜的工程機(jī)械多路換向閥，可以采用AMESim液壓元件庫中現(xiàn)有模型組合構(gòu)建仿真模型[2]。另外，LMS 公司開展的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)講座，向工程機(jī)械液壓技術(shù)人員詳細(xì)展示了如何建立工程機(jī)械負(fù)載敏感液壓元件盒液壓系統(tǒng)的模型，給科技工作者提供了一個很好的素材。本文利用MATLAB 和AMESim 元件庫搭建變幅系統(tǒng)仿真模型，研究變幅系統(tǒng)控制特性。

1 變幅系統(tǒng)原理分析

常見的變幅系統(tǒng)主要由定量泵、先導(dǎo)控制閥、主溢流閥、定差減壓閥、液控?fù)Q向閥、變幅帶補(bǔ)油二次溢流閥、平衡閥、變幅油缸、油管等液壓元器件組成。變幅聯(lián)的液壓回路如圖1 所示。

圖1 變幅聯(lián)的液壓回路圖Fig.1 Hydraulic circuit diagram of variable frame

當(dāng)PB2 輸入先導(dǎo)壓力時，變幅聯(lián)換向到下位，油液經(jīng)過平衡閥單向閥直接進(jìn)入變幅油缸大腔，變幅起[3]；PA2 輸入先導(dǎo)壓力時，變幅聯(lián)多路閥換向到上位，同時先導(dǎo)壓力輸入到平衡閥控制腔，使平衡閥實現(xiàn)反向回油。由于定差減壓閥的存在，能夠?qū)崿F(xiàn)變幅油缸的流量與負(fù)載無關(guān)，從而實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)載信號通過LS 回路反饋到三通補(bǔ)償閥，從而實現(xiàn)定量泵系統(tǒng)以較低的負(fù)載卸荷。

2 變幅系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

工作時，發(fā)動機(jī)帶速800 r/min，正常工作時轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min[4]；變幅油缸所需的泵的排量為50 ml/r，典型轉(zhuǎn)速為1 000 r/min[5]；A 工作口二次溢流閥的設(shè)定壓力為210 bar，B 工作口二次溢流壓力設(shè)定為80 bar，壓力流量梯度均設(shè)為500 L/min/bar；平衡閥先導(dǎo)控制壓力為7～19 bar，正向最大通流量為200 L/min，反向最大通流量為350 L/min；先導(dǎo)控制壓力的作用面積為A5=1.327×10-4，反饋到無彈簧腔的作用面積為A4=6.908×10-4，反饋到彈簧腔的作用面積為A2=7.605×10-4；單向閥開啟壓力為3 bar。

2.1 定差減壓閥的運(yùn)動質(zhì)量設(shè)置

定差減壓閥的運(yùn)動質(zhì)量為

2.2 定差減壓閥閥芯粘性阻尼系數(shù)設(shè)置

式中：BR——定差減壓閥閥芯粘性阻尼系數(shù)；μ——液壓油動力粘度系數(shù)，選取46 號液壓油，運(yùn)動粘度為46×10-6，動力粘度μ=46×10-6×900=0.041 4；LRv——封油區(qū)域長度，LRv=各臺階的長度相加；dR——閥芯大徑，取dR=25 mm；δR——徑向單邊間隙，取δR=4 μm；εR——徑向偏心率，此處取0。

2.3 P-A 通流面積

由于P-A 為三角形節(jié)流槽形狀，設(shè)定z為閥芯截面上的z軸方向的開度大??；y為節(jié)流槽底端相貫線距離閥芯中心的距離；x為閥芯的軸向位移；a為閥芯在閥肩的最大開度；b為銑刀旋轉(zhuǎn)中心與閥芯中心的距離；R為閥芯半徑，由此得到節(jié)流槽相貫線方程為

設(shè)A1、A2分別為通過V 型槽的周向和徑向節(jié)流面積，推理得到A1、A2的面積為

設(shè)計一種V 型槽，半徑R=16 mm，閥肩上的最大開度a=8 mm。x=0 時，y=R=16mm；x=8 mm 時，y=11 mm。根據(jù)式（3）利用MATLAB 進(jìn)行數(shù)值求解。

2.4 P-B 通流面積

P-B 通流面由死區(qū)與錐形面組成，死區(qū)長度為2 mm，錐形面長度為9 mm，錐度為2°。同樣，取APR1為圓周面的通流面積，APR2為徑向通流面積，可得出APR1，APR2的表達(dá)式為

3 仿真模型建立及結(jié)果分析

設(shè)置變幅油缸缸徑為240 mm，桿徑為200 mm，移動質(zhì)量為312.05 kg。油箱背壓設(shè)置為0 bar。先導(dǎo)控制壓力為0～12 bar。建立系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)仿真模型Fig.2 System simulation model

3.1 P-A 仿真結(jié)果

仿真求得變幅聯(lián)的閥芯行程-流量特性曲線如圖3 所示，P-A/B-T 口控制壓力-流量特性曲線如圖4 所示。

圖3 P-A 閥芯行程-流量特性曲線Fig.3 P-A valve core travel-flow characteristic curve

圖4 P-A/B-T 口控制壓力-流量特性曲線Fig.4 P-A/B-T port control pressure-flow characteristic curve

P-A/B-T 的閥芯行程-流量特性區(qū)間由死區(qū)、微調(diào)區(qū)間、快速增益區(qū)間三段組成。P-A 的流量區(qū)間與P-A 的開口通流面積相對應(yīng)，依次包含了密封區(qū)域、三角槽區(qū)域和環(huán)形區(qū)域。

閥芯位移在2 mm 以內(nèi)時，P-A 口的流量為零，這是因閥體與閥芯間有2 mm 的遮蓋量導(dǎo)致的；當(dāng)閥芯運(yùn)動在2～10 mm 之間時，P-A 口開始有流量通過且在10 mm 處流量達(dá)到最大，在此區(qū)間內(nèi)閥芯的通流能力由P-A 的三角節(jié)流槽決定。此區(qū)間也為閥芯運(yùn)動的微動區(qū)間，通過改變此節(jié)流槽的節(jié)流尺寸可以很好的改善手柄的調(diào)速區(qū)間；當(dāng)閥芯運(yùn)動在10～13 mm 區(qū)間時，閥芯經(jīng)過節(jié)流槽，開始進(jìn)入到由閥芯外徑和小徑?jīng)Q定的快速增益區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)的流量快速增大，也及油缸動作的供油區(qū)間。

由圖4 可以看出，先導(dǎo)油控制壓力-流量特性曲線與閥芯位移-流量特性曲線基本上保持一致，說明了閥體運(yùn)動與先導(dǎo)控制壓力之間具有很好的跟隨性[6]。同時還可以看出，當(dāng)先導(dǎo)控制壓力達(dá)到最大的12 bar 時，P-A 以及B-T 的通流能力也達(dá)到最大，說明閥芯已全部開啟。

3.2 P-B 仿真結(jié)果

仿真求得變幅聯(lián)的閥芯行程-流量特性曲線如圖5 所示，P-B/A-T 口控制壓力-流量特性曲線如圖6 所示。

圖5 P-B/A-T 閥芯行程-流量特性曲線Fig.5 P-B/A-T valve core travel-flow characteristic curve

圖6 P-B/A-T 口控制壓力-流量特性曲線Fig.6 P-B/A-T port control pressure-flow characteristic curve

P-B/A-T 的閥芯行程-流量特性區(qū)間由錐形區(qū)域、快速增益區(qū)間2 段組成。P-B 的流量區(qū)間與P-B 的開口通流面積相對應(yīng)，如圖5 所示，但是出現(xiàn)很強(qiáng)的震蕩，這是由于變幅油缸在工作時，工作口B 接回油箱，導(dǎo)致工作負(fù)載反饋壓力為零，定差減壓閥一直處于開啟狀態(tài)，不能起到穩(wěn)定油壓的作用，因此在此區(qū)間內(nèi)油液的壓力波動很大。

由圖6 可以看出，先導(dǎo)油控制壓力-流量特性曲線與閥芯位移-流量特性曲線基本上保持一致，說明了閥體運(yùn)動與先導(dǎo)控制壓力之間具有很好的跟隨性；同時還可以看出，在控制壓力較小時P-B流量的曲線波動很大，是定差減壓閥沒有起到調(diào)節(jié)的作用導(dǎo)致的。另外，從圖6 可以看出，先導(dǎo)壓力達(dá)到9 bar 時，A-T 口的流量突然降為0，這是油缸已工作到最小行程導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

通過對變幅系統(tǒng)仿真分析可知，系統(tǒng)的流量特性曲線與閥芯節(jié)流口通流面積曲線成比例相關(guān)特性，證明如果想改善系統(tǒng)的通流特性或者實現(xiàn)系統(tǒng)的微動調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)截留口的通流面積曲線實現(xiàn)，同時還可以提高響應(yīng)時間以及減小系統(tǒng)沖擊。同時證明V 型節(jié)流槽具有很好的微動特性，適用于對微動特性要求高、流量變化梯度小的工況。