陶柳，李欣星，徐化文

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，四川 德陽 618000)

0 引言

研究表明，以往對(duì)調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路的建模及仿真過程中，多數(shù)沒有考慮液壓缸泄漏對(duì)活塞速度、剛度及穩(wěn)定性的影響[1-3]。本文首先對(duì)液壓缸泄漏的活塞速度表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)修正，得出液壓缸泄漏的活塞速度表達(dá)式；隨后利用AMESim仿真軟件建立了液壓缸泄漏的進(jìn)油調(diào)速回路仿真模型，對(duì)回路的速度-負(fù)載特性進(jìn)行了仿真分析；最后利用QCS003C教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)所建立的模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 調(diào)速閥工作原理

調(diào)速閥式調(diào)速回路如圖1所示，調(diào)速閥由差動(dòng)減壓閥和節(jié)流閥兩部分組成[4]。當(dāng)液壓缸的負(fù)載力Fx發(fā)生變化時(shí)，如果調(diào)速閥前后的工作壓差(P1-P3)處于它最小壓差范圍(一般為0.5～1MPa)內(nèi)，減壓閥無法感知壓差的變化，此時(shí)減壓彈簧不起作用，節(jié)流閥前后壓差(P2-P3)的變化導(dǎo)致回路中流量發(fā)生改變，從而使執(zhí)行元件的速度發(fā)生相應(yīng)波動(dòng)；如果調(diào)速閥前后的工作壓差超過它的最小壓差，它會(huì)不斷調(diào)節(jié)自身彈簧的伸長量使流入節(jié)流閥的壓力P2發(fā)生變化，保證節(jié)流閥前后的壓差始終相等，以達(dá)到使執(zhí)行元件的速度維持恒定的目的。

圖1 調(diào)速閥式調(diào)速回路

2 考慮泄漏的液壓缸速度公式推導(dǎo)

若不考慮泄漏，由流量連續(xù)性原理[4-5]，可得液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度表示式如下:

(1)

式中：Q3為通過節(jié)流閥閥口的流量；C1、C2分別為減壓閥、節(jié)流閥閥口的流量系數(shù)；W1、W2分別為減壓閥、節(jié)流閥閥口的面積梯度；m、n為減壓閥，節(jié)流閥閥口的初始開口量；ρ為油液的密度；p1為調(diào)速閥的進(jìn)口壓力；A為液壓缸大腔的作用面積；B為液壓缸小腔的作用面積；p4為液壓缸小腔回油壓力， 這里設(shè)定背壓p4=0MPa；Fx為執(zhí)行元件工作過程中所受負(fù)載力。

但式(1)中沒有考慮泄漏對(duì)于活塞運(yùn)動(dòng)速度的影響。泄漏將降低實(shí)際進(jìn)入液壓缸流量的大小，進(jìn)而影響液壓缸速度，因此泄漏對(duì)于液壓系統(tǒng)特別是在高壓精密系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)性能的影響不可忽略。

圖2為AMESim中泄漏模塊示意圖，由圖計(jì)算推導(dǎo)出泄漏流量表達(dá)式如下：

圖2 泄漏模塊物理示意圖

(2)

從式(2)可以看出，當(dāng)液壓缸活塞兩端壓差越大，泄漏的流量相應(yīng)就越大。從而使活塞運(yùn)動(dòng)速度降低。真正進(jìn)入液壓缸的流量應(yīng)為：

Q實(shí)際=Q3-Q

(3)

綜合表示式(1)-式(3)可以推導(dǎo)得出考慮泄漏之后的活塞速度表達(dá)式：

(4)

3 AMEsim仿真分析

3.1 模型建立

根據(jù)調(diào)速閥節(jié)流調(diào)速回路工作原理[6-7]，利用AMESim軟件搭建的不考慮及考慮液壓缸泄漏的仿真模型如圖3、圖4所示。

圖3 不考慮泄漏的AMESim回路仿真模型

圖4 考慮泄漏的AMESim回路仿真模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

各子模型的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1。其他參數(shù)保持默認(rèn)。

表1 參數(shù)設(shè)置表

3.3 仿真結(jié)果分析

圖5為考慮流體泄漏的仿真模型在外加負(fù)載分別為2 350N、2 950N、3 520N下的液壓缸活塞速度隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 負(fù)載壓力分別等于2 350 N、2 950 N、3 520 N 時(shí)活塞速度變化圖像(無泄漏)

從仿真結(jié)果看出，在仿真時(shí)間為2s時(shí)，各個(gè)壓力下所對(duì)應(yīng)的速度值分別為：0.042 398 25m/s，0.033 085 3m/s，0.003 884 128m/s?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著外加負(fù)載的增加，活塞的運(yùn)動(dòng)速度開始降低，并隨著仿真時(shí)間的增加，速度的降低幅度越大。

圖6為沒有考慮流體泄漏的仿真模型在外加負(fù)載分別為2 350N、2 950N、3 520N下的液壓缸活塞速度隨時(shí)間的變化曲線。從仿真結(jié)果看出，在仿真時(shí)間為2s時(shí)，各個(gè)壓力下所對(duì)應(yīng)的速度值分別為：0.042 144 06m/s，0.032 822 71m/s，0.003 739 707m/s。

圖6 負(fù)載壓力分別等于2 350 N、2 950 N、3 520 N 時(shí)活塞速度變化圖像(泄漏)

仿真結(jié)果表明，隨著外加負(fù)載的增加，活塞的運(yùn)動(dòng)速度也有一定程度的降低。但是相比泄漏模型，此模型仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在相同的外加負(fù)載增加時(shí)，速度降低的幅度要小。分析可能是因?yàn)殡S著負(fù)載的增加，泄漏模塊中的泄漏量增加，致使活塞的速度下降幅度增加。

為了對(duì)上面的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證，下面通過改變UD00值的大?。悍謩e取值為2 520N、3 020N、3 520N、4 020N，來仿真不同負(fù)載下通過活塞流量數(shù)值的大小(圖7)。

圖7 不同負(fù)載下的液壓缸泄漏流量的大小

從仿真結(jié)果可以看出，在仿真時(shí)間為2s時(shí)，負(fù)載越大，流經(jīng)液壓缸的流量越小，說明泄漏量越大，越影響活塞速度的大小。

在定性得出了流量泄漏與活塞運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系之后，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行定量的仿真分析，采用考慮泄漏的仿真模型，去外加負(fù)載為3 520N，改變BAF01參數(shù)泄漏量的大小，采用并行仿真的方法，得到仿真結(jié)果曲線如圖8。

圖8 不同泄漏間隙下液壓缸的速度變化曲線

圖8定量分析了泄漏量對(duì)閥芯速度大小及穩(wěn)定性影響，改變BAF01模型參數(shù)，分別對(duì)泄漏模塊中clearanceondiameter取值為0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm，定量的分析泄漏量對(duì)閥芯速度的影響。發(fā)現(xiàn)在仿真時(shí)間為2s時(shí)，所得出的活塞運(yùn)動(dòng)速度分別為0.003 739 7m/s、0.003 459 0m/s、0.003 015 6m/s、0.002 377 1m/s，得出隨著液壓缸泄漏量的增大，活塞的速度逐漸降低。

在圖8中，取仿真結(jié)果中活塞泄漏間隙為0.2mm，時(shí)間t=2s時(shí)曲線上的活塞運(yùn)動(dòng)速度值0.003 739 7m/s，并將此速度及泄漏間隙值0.2mm代人之前所求的考慮泄漏量的速度表達(dá)式(4)中，計(jì)算出泄漏量的值為0.012 319L/min，與圖7中外加負(fù)載為3 520N仿真得出的0.012 300 2L/min基本一致，證明理論推導(dǎo)所得出公式的合理性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

QCS003C教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)適用于各高等院校、各中等專業(yè)技術(shù)學(xué)校金屬切削機(jī)床液壓傳動(dòng)課程的教育實(shí)驗(yàn)。同樣適合于各工人大學(xué)培養(yǎng)專門液壓技術(shù)人員及科研單位作為液壓教學(xué)和研究使用。

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

工作油缸活塞桿的速度V：行程L=200mm，用秒表測量時(shí)間t，V=L/t(mm/s)。

負(fù)載F:采用液壓缸加載。實(shí)驗(yàn)裝置采用加載液壓缸與工作液壓缸的活塞桿處于同心位置直接對(duì)頂?shù)募虞d方案，調(diào)節(jié)加載缸工作腔的油壓大小，即可使調(diào)速回路獲得不同的負(fù)載值。

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置的調(diào)整

a) 加載系統(tǒng)的調(diào)整

如圖9，關(guān)閉節(jié)流閥10，啟動(dòng)液壓泵18，調(diào)節(jié)溢流閥11的調(diào)壓手柄，使系統(tǒng)處于低壓0.5MPa，通過電磁閥17切換，使加載缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)3-5次，排除系統(tǒng)內(nèi)空氣，然后使活塞桿處于退回位置 (實(shí)驗(yàn)臺(tái)左邊為工作缸，右邊為加載缸)。

b) 調(diào)速回路的調(diào)整

將旁路節(jié)流閥9和調(diào)速閥6關(guān)閉，回油節(jié)流閥8全開，進(jìn)油節(jié)流閥7調(diào)整到某一開度、啟動(dòng)液壓泵1，調(diào)節(jié)溢流閥2，使系統(tǒng)處于低壓0.5MPa，通過電磁閥3的左位工作，慢慢調(diào)節(jié)節(jié)流閥7的開度，使工作油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度適中，反復(fù)切換電磁閥3，使工作缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，檢查系統(tǒng)工作是否正常。

c) 實(shí)驗(yàn)步驟

1) 按擬定好的實(shí)驗(yàn)方案，調(diào)整液壓泵1的供油壓力和本回路的流量控制閥7的開度，使工作缸的活塞桿退回，加載缸的活塞桿向前伸出，兩者頂靠在一起。

2) 逐次用溢流閥11調(diào)節(jié)加載缸的工作壓力分次測出工作缸19的活塞運(yùn)動(dòng)速度V，負(fù)載應(yīng)加到工作缸活塞不運(yùn)動(dòng)為止。

3) 調(diào)節(jié)泵的供油壓力，按步驟b) 操作。

4) 重復(fù)步驟c)，至實(shí)驗(yàn)方案結(jié)束。

1、18—液壓泵；2、11—溢流閥；3、17—三位四通電磁換向閥；6—調(diào)速閥；7、8、9、10—節(jié)流閥；4、5、12、21、22—壓力表；13、14、15— 二位三通電磁換向閥；16—兩位兩通電磁換向閥；19、20—液壓缸圖9 工作臺(tái)實(shí)驗(yàn)原理圖

所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

真中的2 350N、2 950N、3 520N相對(duì)應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)溢流閥設(shè)定壓力0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa的情況下，測量所得的速度0.041 8m/s、0.032 7m/s、0.003 7m/s，與考慮泄漏模型建立的模型獲得的0.042 1m/s、0.032 8m/s、0.003 7m/s基本一致，而比沒有考慮泄漏模型的仿真得到的速度要低。說明所建立模型的準(zhǔn)確性，也表明在實(shí)際工作過程中泄漏對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及性能的影響不可忽略。

5 結(jié)語

通過理論推導(dǎo)、軟件仿真及實(shí)驗(yàn)分析，研究了泄漏對(duì)于液壓系統(tǒng)流量、速度的影響；推導(dǎo)出了泄漏對(duì)于速度的影響表達(dá)式，為今后系統(tǒng)的研究提供了更好的參考；基于AMESim建立了調(diào)速閥進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路仿真模型，仿真研究了外加負(fù)載對(duì)液壓缸泄漏以及泄漏量對(duì)活塞速度的影響，得出了負(fù)載-流量、負(fù)載-速度、流量-速度曲線。

利用QCS003C教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出由修正理論推導(dǎo)公式得出的速度值及所建立的仿真模型得出的液壓缸速度值與實(shí)驗(yàn)獲得速度值基本一致，驗(yàn)證了所推導(dǎo)的考慮泄漏的液壓缸速度表達(dá)式及建立模型的準(zhǔn)確性，為節(jié)流調(diào)速回路精度及理論深度提高的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。