摘 要： 以小型液壓挖掘機為仿真樣本，分析了液壓挖掘機的正流量系統(tǒng)的工作原理，根據(jù)實際的液壓元件參數(shù)，利用AMESim軟件的HCD液壓元件庫，構(gòu)建多路換向閥和正流量泵的模型及挖掘機液壓系統(tǒng)仿真模型，并對其仿真結(jié)果進行分析。對比了定量泵系統(tǒng)和正流量系統(tǒng)的流量損失，驗證了正流量系統(tǒng)的節(jié)能性，證明建立的仿真模型的有效性。
關(guān)鍵詞： 液壓挖掘機；AMESim；正流量
挖掘機是土石方開挖的主要工程機械，在能源、交通、農(nóng)田水利、城鎮(zhèn)建設(shè)，以及現(xiàn)代化軍事工程等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其國內(nèi)擁有量越來越大[1]。挖掘機作為一種大功率工程機械，其節(jié)能性也一直是國內(nèi)外工程機械生產(chǎn)企業(yè)追求的主要目標(biāo)之一。目前國內(nèi)外挖掘機采用的節(jié)能系統(tǒng)主要有負流量系統(tǒng)、正流量系統(tǒng)、負荷敏感系統(tǒng)等，許多高校和研究機構(gòu)對各個系統(tǒng)的節(jié)能性都作出了研究。
目前國內(nèi)工程機械研究人員多采用Matlab軟件，依靠傳統(tǒng)的微分和差分方法對復(fù)雜的液壓系統(tǒng)進行建模分析，但這大大增加了建模的難度，而且并不能很好地模擬實際運作狀態(tài)。由法國IMAGINE公司研制開發(fā)的AMESim軟件給工程機械用戶提供了標(biāo)準(zhǔn)模型庫和基本元件設(shè)計庫，極大地方便了液壓系統(tǒng)的建模，為研究縮短了周期。本文利用該軟件對挖掘機的正流量系統(tǒng)進行仿真研究[2]。
1 挖掘機正流量系統(tǒng)的工作原理
正流量系統(tǒng)在上世紀(jì)70年代用于挖掘機液壓系統(tǒng)中，主要目的在于用容積調(diào)速代替節(jié)流調(diào)速，從泵源實現(xiàn)節(jié)能。其原理如圖1所示，先導(dǎo)壓力信號一方面控制主閥閥芯的位移，即控制通向執(zhí)行器的流量；另一方面?zhèn)魉徒o變量泵的調(diào)節(jié)機構(gòu)來控制泵的排量[3-5]。這樣就可以近似保證液壓泵提供的流量與主控閥的通流面積成正比。當(dāng)先導(dǎo)壓力信號為零時，主閥閥芯處于中位。此時變量泵的斜盤角也達到最小，僅排出很小的流量，通過旁路節(jié)流回路流回油箱；當(dāng)先導(dǎo)壓力不斷增加時，主閥閥芯逐漸向左位切換，閥口P與B、T與A逐漸導(dǎo)通。與此同時變量泵的斜盤角也隨之增大，增加流量滿足系統(tǒng)的需求。
系統(tǒng)中正流量變量泵結(jié)構(gòu)及原理如圖2所示，X1點為多路換向閥的先導(dǎo)壓力信號點，A/B為多路換向閥閥口信號點，X3、Y3為系統(tǒng)外加壓力信號點，A1為系統(tǒng)其他閥閥口信號點，R、U、S、T1為系統(tǒng)回油信號點。
正流量變量泵的控制原理：多路換向閥（圖2中未畫出）的先導(dǎo)壓力信號通過X1信號點引入到正流量控制閥1的右端。當(dāng)先導(dǎo)壓力為零時，多路換向閥閥芯位移為零，正流量控制閥1工作在左位，泵輸出的壓力油通過單向閥、正流量控制閥1的左位、壓力切斷閥3的左位、LR功率控制閥2的左位流至活塞缸的無桿腔，推動活塞向左移動，使泵的排量調(diào)至最?。划?dāng)先導(dǎo)壓力逐漸增加時，多路換向閥閥芯移動，系統(tǒng)負載流量需求逐漸增加，此時正流量控制閥閥芯逐漸切換至右位，壓力油通過單向閥進入活塞缸的有桿腔，推動活塞向右移動，使泵的排量增加，而無桿腔的液壓油則通過壓力切斷閥3的左位、LR功率控制閥2的左位、正流量控制閥1的右位流回油箱。
2 挖掘機正流量系統(tǒng)的建模
整個系統(tǒng)主要由正流量變量泵、多路換閥、液壓缸、溢流閥等組成，下面將對主要元件進行分析，并確定參數(shù)建立相應(yīng)的仿真模型。
2.1多路換向閥的建模
本文研究的多路閥為三位六通的液壓先導(dǎo)式換向閥。它的原理是通過先導(dǎo)油液壓力推動多路閥閥芯來改變各個油路的通斷狀態(tài)從而控制油液的流通方向和流量。
根據(jù)三位六通閥的工作原理，利用AMESim軟件提供的HCD庫中合適的組件構(gòu)建出系統(tǒng)的多路換向閥，如圖3所示。
多路換向閥的主要參數(shù)為：閥芯重量為0.1 kg，彈簧的彈性系數(shù)為30 N/mm，彈簧的預(yù)緊力為30 N。多路閥閥口的面積特性對于建立多路換向閥模型是必不可少的，閥口面積特性由txt文本參數(shù)寫入模型，閥口面積特性如圖4所示。
圖6為液壓挖掘機正流量系統(tǒng)的AMESim模型，系統(tǒng)主要參數(shù)為：液壓缸活塞行程為800 mm，缸徑為70 mm，活塞桿徑為50 mm。
3 正流量系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析
液壓挖掘機的正流量系統(tǒng)的原理是先導(dǎo)壓力直接
仿真中，給先導(dǎo)壓力加以0~40 bar的斜坡信號，得到圖8和圖9的仿真結(jié)果。圖8中通過設(shè)定正流量控制閥不同的彈簧預(yù)緊力得到不同的排量調(diào)節(jié)曲線，泵的排量變化正比于泵的先導(dǎo)壓力和閥芯位移，正確地反映了正流量泵的排量調(diào)節(jié)特性。閥PA口的開口面積隨著閥芯位移的增加而增大。正流量系統(tǒng)減少了過剩的流量損失，具有明顯的節(jié)能效果。
圖9中的曲線1和曲線2分別為定量泵系統(tǒng)和正流量系統(tǒng)的流量損失隨閥芯位移的變化曲線。可以看出系統(tǒng)主要的流量損失是由于從0~5 s時多路閥PO閥口打開，油液直接流回油箱所造成的，而正流量系統(tǒng)在這段時間內(nèi)由于泵的排量受先導(dǎo)壓力的控制，泵的流量相應(yīng)減小，流量損失明顯低于定量泵系統(tǒng)，體現(xiàn)了正流量系統(tǒng)良好的節(jié)能性。
利用AMESim圖形化的建模方法對挖掘機液壓系統(tǒng)進行仿真，避免了繁瑣的公式推導(dǎo)，顯示了AMESim是一個方便、高效、直觀的動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真分析工具。
本文通過建立挖掘機正流量系統(tǒng)的AMESim模型，得出仿真結(jié)果表明：（1）正流量系統(tǒng)的泵的排量正比于主閥的先導(dǎo)壓力和閥芯位移；（2）通過設(shè)定正流量控制閥不同的彈簧預(yù)緊力，得到泵不同的排量調(diào)節(jié)特性，證明了所建模型的正確性；（3）正流量變量泵的排量與多路換向閥閥口開度相適應(yīng)，減少了流量損失，具有明顯的節(jié)能效果，為后續(xù)的研究提供仿真平臺。
參考文獻
[1] 王濤，陶薇.基于AMESim的液壓挖掘機運動及控制仿真[J].金屬礦山，2008（10）：92-96.
[2] 冀謙.基于AMESim的小型液壓挖掘機液壓回路仿真研究[J].機械研究與應(yīng)用，2009（5）：42-44.
[3] 張棟.基于功率匹配的挖掘機節(jié)能控制技術(shù)的研究[D].長春：吉林大學(xué)，2005.
[4] 馮雙昌.挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性的建模與仿真研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2007.
[5] 韓慧仙，曹顯利.挖掘機正流量液壓系統(tǒng)的控制性能分析[J].機床與液壓，2012（8）：100-102.