基于AMESim的液压增压缸的仿真分析

摘要:本文介绍了增压缸的结构和工作原理,利用AMESim的标准液压库和元件设计库(HCD)构建了某液压系统增压部分的仿真模型,并对增压过程的动态性能进行了仿真分析,对增压缸的设计和分析具有指导意义。

关键词:增压缸;AMESim;动态性能;仿真分析

1引 言

为便于液压阀的选型和使用,液压系统的工作压力一般设定为160～190bar。由于实际工况的需要,主油缸压力可达到350bar左右。在这种情况下,通过增压缸使主油缸获得较高的工作压力是一种较为理想的选择。

2增压缸工作原理

增压缸的工作原理如图1所示。当低压油P1 进入到缸左端时,活塞向右运动,输出高压油P2 ,由静压平衡原理可知:

P1A1=P2A2(1)

其中:

P1――输入的低压;

P2――输出的高压;

A1――大活塞的面积;

A2――小活塞的面积。

由(1)式可得: P2=P =PK (2)

式中:

K――增压比,K= 。

面积A和A相差越大,K值也越大,增压的效果越明显。在系统的压力一定时,经过增压缸可以使压力放大K倍,达到增压目的。

3 液压系统增压部分原理图

某液压系统增压部分原理图如图2所示。它由电机、变量泵、蓄能器、插装阀、溢流阀和增压缸等基本元件组成。增压过程如下:

系统压力油通过插装阀V101(YV101通电)进入到增压缸的大端,增压缸小端的高压油进入到主油缸的上腔,产生压力克服弹性负载。

增压系统的作用是在尽可能短的时间内使主油缸的压力达到要求(由弹性负载的大小决定),主缸的负载为弹性负载,主缸的活塞杆行程要控制在2mm内。

4基于AMESim的增压系统模型

AMESim所含液压系统的模型库中集成了大多数标准液压元件的仿真子模型,最大程度地避免了仿真者自行设计数学模型。同时,对于系统中的特定元件模型,可根据其物理结构,使用液压元件设计库里面的最小模型单元搭建完成[1]。

4.1 在草图模式下建立液压系统模型

本仿真系统的系统压力采用变量泵来实现,省略了油路上的冷却系统和过滤系统等辅助元件。对图2所示的液压系统,大多数元件如变量泵、蓄能器、电磁阀和溢流阀就直接调用标准液压库里的子模型;但是系统中的增压缸、插装阀作为特定元件,标准液压库无法满足建模要求。为此采用了AMESim的液压元件设计库HCD (Hydraulic Component Design)[2]。应用HCD库建立了如图3所示的插装阀的仿真模型以及图4所示的增压缸的仿真模型。用以上在标准库里调用的和通过HCD库建立的元件子模型,就可以搭建增压系统的仿真模型,如图5所示。

4.2 在子模型模式下为每个图形模块选取数字模型

进入子模型模式(Submodel mode),为系统中的每个图形模块选取子模型。AMESim 提供了首选子模型(Premier submode1)功能。

4.3在参数模式下设定每个图形模块需要的特定参数

在参数模式(Parameters mode)下,设置系统主要的仿真参数如表1所示。

4.4 在运行模式下运行仿真

进入运行模式(Run mode),设置仿真时间为1s、仿真步长为0.01,按照单步运行的运行方式开始仿真。

5仿真结果分析

5.1 增压缸分析

图6为增压缸低压、高压腔压力曲线,其中曲线1为低压腔压力曲线,曲线2为高压腔压力曲线;图7为增压缸活塞杆的位移曲线。通过仿真曲线可以看到,增压缸低压腔在44ms达到最大压力140bar(系统的压力),此时高压腔的压力为310bar,可以计算出实际的增压比为 2.21,比理论值2.25略小。这是由于增压缸的泄漏和液压油的压缩造成的;在增压缸低压腔达到最大压力时,增压缸的活塞杆位移为75mm,与活塞杆的最大位移140mm相比,还有很大余量,为了使增压缸适应不同的负载,其最大位移都要留有余量。

5.2 主油缸分析

图8为主油缸活塞杆的位移曲线,图9为主缸压制力曲线。通过仿真曲线可以看到,主缸在0.44s达到了预定的最大位移2mm,此后保持了稳定高压状态;达到最大位移时主缸最大的压制力为1.1×107 N。

5.3 增压缸间隙对增压系统的影响

为了探讨增压缸的泄漏对系统的影响,通过改变系统仿真模型中增压缸的径向间隙,可以得到低压腔、高压腔的具体泄漏情况。

图10 为增压缸径向间隙t=0.01mm时的泄漏流量,图10(a)为低压腔泄漏流量,图10(b)为高压腔泄漏流量。通过图10(a)与图10(b)的对比可以看出,当系统达到稳定时(0.44s),低压腔、高压腔泄漏量都很小,但高压腔的泄漏量相对较大。

同理,图11为增压缸径向间隙t=0.1mm时的泄漏流量。对比图11(a)与图11(b)可以很明显的看到,径向间隙的增大,低压腔、高压腔泄漏量都增大,达到稳定时(0.44s),低压腔的泄漏流量为0.63 L/min,而高压腔的泄漏流量为0.96 L/min,低压腔的泄漏量增长速度更快,但高压腔的泄漏量始终大于低压腔,这说明高压对系统泄漏的影响是最大的。通过上面的分析可以对增压缸的设计与选型有一定的指导意义。在设计增压缸的时候一定要注意活塞杆的密封,尤其是高压腔活塞的密封,增压缸的径向间隙控制在0.01mm可以产生很小的泄漏量,满足系统要求。

参考文献

[1] 郭晓松,祁帅,于传强等.工程机械的节流调速液压回路仿真分析[J].机床与液压,2009,6:206-208.

[2] 付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真――从入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.