賈振東，張洪波，劉鳳

（1.262400 山東省 濰坊市 山東昌樂(lè)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(guó)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(guó)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(guó)外產(chǎn)品相比沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)對(duì)基礎(chǔ)元件的試驗(yàn)測(cè)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(jì)開(kāi)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(jì)開(kāi)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(duì)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(kù)中現(xiàn)有模型組合構(gòu)建仿真模型[2]。另外，LMS 公司開(kāi)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(gè)很好的素材。本文利用MATLAB 和AMESim 元件庫(kù)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(jiàn)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(shí)，變幅聯(lián)換向到下位，油液經(jīng)過(guò)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(shí)，變幅聯(lián)多路閥換向到上位，同時(shí)先導(dǎo)壓力輸入到平衡閥控制腔，使平衡閥實(shí)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(wú)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行。負(fù)載信號(hào)通過(guò)LS 回路反饋到三通補(bǔ)償閥，從而實(shí)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)帶速800 r/min，正常工作時(shí)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(wú)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(kāi)啟壓力為3 bar。

2.1 定差減壓閥的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量設(shè)置

定差減壓閥的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力粘度系數(shù)，選取46 號(hào)液壓油，運(yùn)動(dòng)粘度為46×10-6，動(dòng)力粘度μ=46×10-6×900=0.041 4；LRv——封油區(qū)域長(zhǎng)度，LRv=各臺(tái)階的長(zhǎng)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(kāi)度大??；y為節(jié)流槽底端相貫線(xiàn)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(kāi)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(xiàn)方程為

設(shè)A1、A2分別為通過(guò)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(jì)一種V 型槽，半徑R=16 mm，閥肩上的最大開(kāi)度a=8 mm。x=0 時(shí)，y=R=16mm；x=8 mm 時(shí)，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(zhǎng)度為2 mm，錐形面長(zhǎng)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(dòng)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(xiàn)如圖3 所示，P-A/B-T 口控制壓力-流量特性曲線(xiàn)如圖4 所示。

圖3 P-A 閥芯行程-流量特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)口通流面積相對(duì)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?xún)?nèi)時(shí)，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(dòng)在2～10 mm 之間時(shí)，P-A 口開(kāi)始有流量通過(guò)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(dòng)的微動(dòng)區(qū)間，通過(guò)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(dòng)在10～13 mm 區(qū)間時(shí)，閥芯經(jīng)過(guò)節(jié)流槽，開(kāi)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(dòng)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(xiàn)與閥芯位移-流量特性曲線(xiàn)基本上保持一致，說(shuō)明了閥體運(yùn)動(dòng)與先導(dǎo)控制壓力之間具有很好的跟隨性[6]。同時(shí)還可以看出，當(dāng)先導(dǎo)控制壓力達(dá)到最大的12 bar 時(shí)，P-A 以及B-T 的通流能力也達(dá)到最大，說(shuō)明閥芯已全部開(kāi)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(xiàn)如圖5 所示，P-B/A-T 口控制壓力-流量特性曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖5 P-B/A-T 閥芯行程-流量特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)口通流面積相對(duì)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(shí)，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(kāi)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(dòng)很大。

由圖6 可以看出，先導(dǎo)油控制壓力-流量特性曲線(xiàn)與閥芯位移-流量特性曲線(xiàn)基本上保持一致，說(shuō)明了閥體運(yùn)動(dòng)與先導(dǎo)控制壓力之間具有很好的跟隨性；同時(shí)還可以看出，在控制壓力較小時(shí)P-B流量的曲線(xiàn)波動(dòng)很大，是定差減壓閥沒(méi)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(shí)，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(guò)對(duì)變幅系統(tǒng)仿真分析可知，系統(tǒng)的流量特性曲線(xiàn)與閥芯節(jié)流口通流面積曲線(xiàn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微動(dòng)調(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)節(jié)截留口的通流面積曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還可以提高響應(yīng)時(shí)間以及減小系統(tǒng)沖擊。同時(shí)證明V 型節(jié)流槽具有很好的微動(dòng)特性，適用于對(duì)微動(dòng)特性要求高、流量變化梯度小的工況。