王瑜

摘?要：本文根據(jù)負(fù)載敏感變量泵的工作原理分析其動態(tài)特性的影響因素，利用AMESim建立了負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的模型，進行仿真研究。研究表明，負(fù)載敏感閥的彈簧剛度、閥芯直徑和變量活塞的彈簧剛度、閥芯直徑對負(fù)載敏感變量泵的動態(tài)響應(yīng)起著重要作用。對理解、使用和設(shè)計負(fù)載敏感泵都有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：液壓技術(shù);負(fù)載敏感技術(shù);負(fù)載敏感變量泵系統(tǒng);AMESim仿真

液壓傳動具有無級變速、傳動環(huán)節(jié)少、操作簡單、對外界載荷適應(yīng)能力強和易于實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用。但液壓傳動能量損失大，效率低，是其系統(tǒng)的一大缺陷。[1]

為了解決此問題，人們提出許多解決方法，負(fù)載敏感技術(shù)就是其中之一。負(fù)載敏感技術(shù)是指系統(tǒng)能夠按照負(fù)載的需求來控制泵輸出壓力與流量，使液壓系統(tǒng)效率提高，增加其使用壽命。[2]負(fù)載敏感技術(shù)有閥控與泵控兩種，泵控負(fù)載敏感系統(tǒng)主要依靠負(fù)載敏感變量泵完成相應(yīng)工作，本文主要分析該泵的工作原理與動態(tài)特性的影響因素。

1 負(fù)載敏感變量泵工作原理

負(fù)載敏感變量泵的工作原理如圖1所示，由變量泵、負(fù)載敏感閥、恒壓閥和變量活塞等組成。負(fù)載敏感變量泵根據(jù)負(fù)載所需的壓力?P?L?調(diào)節(jié)恒壓閥與負(fù)載敏感閥的閥芯的位移，使變量活塞受力發(fā)生變化，進而改變泵的排量，實現(xiàn)泵的輸出壓力?P?P?、輸出流量與負(fù)載的壓力?P?L?、流量相匹配。

負(fù)載敏感變量泵中的恒壓閥2控制優(yōu)先級高于負(fù)載敏感閥1的控制優(yōu)先級。負(fù)載敏感變量泵有三種狀態(tài)：待機狀態(tài)、正常工作狀態(tài)和過載狀態(tài)。

（1）待機狀態(tài)，節(jié)流閥5處于關(guān)閉狀態(tài)。負(fù)載敏感閥1和恒壓閥2的閥芯在彈簧作用下處于左位，變量泵4的出口壓力油進入變量活塞3的兩腔，推動變量活塞3，從而減小泵斜盤傾角，使得泵的排量減小到最小值，泵出口壓力?P?P?降到與負(fù)載敏感閥1中調(diào)整彈簧預(yù)緊力相等的值。變量泵輸出一定的流量，用于補償泵自身的內(nèi)泄漏。

（2）正常工作時。啟動負(fù)載敏感變量泵，變量泵4提供壓力?P?P?小于負(fù)載所需壓力?P?L?，負(fù)載敏感閥1的閥芯右移，閥口開度逐漸增大，變量活塞3右側(cè)的油液流回油箱，變量泵4的斜盤傾角變大，從而排量增大。

當(dāng)泵完全啟動后，泵的出口壓力及流量會隨著負(fù)載的變化而變化。負(fù)載?P?L?穩(wěn)定時，負(fù)載敏感閥1受力平衡時，方程為：

式中：A——負(fù)載敏感閥的彈簧腔壓力油作用面積，?F??s?——彈簧預(yù)緊力。

當(dāng)?P?L?減小，?Δ?P>F??s?/A?，負(fù)載敏感閥1的彈簧作用力產(chǎn)生的壓力大于負(fù)載壓力，從而推動負(fù)載敏感閥1的閥芯向左移動，閥口開度減小，變量活塞3右側(cè)流回油箱的油液減少，壓力逐漸增大，從而使斜盤傾角減小，泵出口壓力與排量減小，直到負(fù)載所需求的壓力。當(dāng)?P?L?增大，與上訴過程相反，泵出口壓力與排量增大。

（3）過載狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載過大時，負(fù)載敏感閥1無法開啟，恒壓閥2發(fā)揮作用。恒壓閥2閥芯向左運動，油液通過恒壓閥2的左位進入變量缸3的右側(cè)，使泵的流量減小到僅能維持系統(tǒng)的壓力。

工程機械的負(fù)載多變，這就要求負(fù)載敏感系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時穩(wěn)定性強、響應(yīng)速度快和響應(yīng)準(zhǔn)確。負(fù)載敏感變量泵是負(fù)載敏感系統(tǒng)中的一個重要部分，其動態(tài)特性關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。經(jīng)上述分析可知，泵出口壓力與流量的大小主要由斜盤傾角控制，斜盤傾角的變化直接由變量活塞控制，間接的由負(fù)載敏感閥和恒壓閥的閥芯位置控制。但恒壓閥僅在過載狀態(tài)下工作，對負(fù)載敏感變量泵的正常工作的響應(yīng)無影響，所以僅需考慮負(fù)載敏感閥與變量活塞相關(guān)因素對負(fù)載敏感變量泵動態(tài)特性的影響。

根據(jù)公式（1）和（2），負(fù)載敏感閥的彈簧預(yù)緊力決定泵出口壓力與負(fù)載壓力的差值，本文在確定其壓差值后，不予考慮負(fù)載敏感彈簧閥的預(yù)緊力這一因素。那么，可考慮因素有負(fù)載敏感閥與變量活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，負(fù)載敏感閥彈簧剛度及其閥芯面積，變量活塞彈簧剛度與其直徑。下面將利用負(fù)載變量泵的模型研究這些參數(shù)對其動態(tài)特性的影響。

2 負(fù)載敏感變量泵的AMESim建模

基于AMESim中液壓元件設(shè)計庫（HCD庫）搭建負(fù)載敏感系統(tǒng)，[3]仿真模型如圖2所示。定量泵的排量為30mL/r，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1900r/min，節(jié)流閥的閥芯開口為8mm，負(fù)載敏感閥的彈簧預(yù)緊力為90.5N，壓力油作用面積為50.3mm?2?，用壓力信號模型

6模擬負(fù)載。仿真時間設(shè)定為2s，液壓管路損失不計。

3 系統(tǒng)仿真分析

本文的仿真分析主要研究各元件結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)載敏感變量泵動態(tài)響應(yīng)的影響，因此，在仿真時，主要對其正常工作狀態(tài)研究即可。負(fù)載敏感變量泵的動態(tài)特性可通過其泵出口壓力與流量反映，因為負(fù)載所需的流量對泵出口壓力具有干擾，且泵斜盤角度直接影響出口流量，流量的大小直接影響執(zhí)行元件的動作，因此本文主要通過觀測泵的出口流量進行研究分析。給模擬負(fù)載系統(tǒng)6一個方波信號，分析各影響因素對負(fù)載敏感變量泵響應(yīng)特性的影響，仿真結(jié)果如下。

當(dāng)負(fù)載敏感閥的彈簧剛度不同時，可以得到圖3所示的一組泵的出口流量響應(yīng)曲線。圖3中從1到3，彈簧剛度依次是5N/mm、10N/mm、15N/mm。由圖3中可以看出，隨著彈簧剛度的增大，系統(tǒng)的響應(yīng)稍慢，但超調(diào)量逐漸變小。

當(dāng)負(fù)載敏感閥閥芯面積不同時，對泵輸出動態(tài)特性的影響如圖4所示，圖中1到3閥芯直徑依次是6mm、8mm、10mm。由圖4可知，隨著閥芯直徑的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)時間有所增加，超調(diào)量增大，穩(wěn)態(tài)誤差也有所增加。

變量活塞彈簧剛度不同時，得到圖5所示的一組泵輸出流量響應(yīng)曲線。圖5中從1到3，彈簧剛度依次是25N/mm、30N/mm、35N/mm。由圖5可以看出，隨著彈簧剛度的增大，泵的響應(yīng)時間越來越長，泵的出口流量相應(yīng)減小，但振蕩次數(shù)減少，穩(wěn)態(tài)誤差減小，因此變量活塞彈簧剛度對泵的響應(yīng)特性影響較大。

當(dāng)變量活塞閥芯作用面積不同時，可以得到圖6所示的一組泵的出口流量響應(yīng)曲線。圖6中從1到3，油缸閥芯直徑依次是6mm、8mm、10mm。由圖6中可以看出，隨著閥芯直徑的增大，泵的響應(yīng)時間無變化，超調(diào)量減小，振蕩次數(shù)減少，因此變量活塞閥芯作用面積盡可能大些。

4 結(jié)論

本文根據(jù)負(fù)載敏感變量泵的原理，分析出負(fù)載敏感泵響應(yīng)特性的影響因素，建立負(fù)載敏感變量泵的AMESim模型，仿真出各因素對響應(yīng)特性的具體影響。

（1）負(fù)載敏感閥彈簧剛度越大，系統(tǒng)的響應(yīng)變慢，超調(diào)量減小。

（2）負(fù)載敏感閥閥芯直徑越大系統(tǒng)的響應(yīng)越慢，超調(diào)量越大，穩(wěn)態(tài)誤差也有所增加。

（3）變量活塞的彈簧剛度增大，泵的響應(yīng)時間越長，泵的出口流量相應(yīng)減小，但振蕩次數(shù)減少，穩(wěn)態(tài)誤差減小，選擇合適的彈簧剛度很重要。

（4）變量活塞的閥芯直徑隨著越大，泵的響應(yīng)時間不變，超調(diào)量減小，振蕩次數(shù)減少，因此變量活塞閥芯作用面積盡可能大些。

參考文獻：

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