波动载荷下蓄能器组在液压驱动系统中的仿真研究

马登成， 李 旋， 杨士敏

（长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064）

工程机械外载荷剧烈波动，导致其液压驱动系统压力冲击频繁，降低了液压元件的寿命与安全性，同时降低了整机的动力性与燃油经济性［1］。蓄能器具有蓄积能量、减小系统压力冲击与吸收压力脉动的作用，因此研究蓄能器对于波动载荷下工作的工程机械液压驱动系统的压力冲击和波动的吸收与消减具有现实意义。文献［2］初步研究了蓄能器对液压系统高频脉动的自动控制；文献［3－6］对波动载荷作用下液压驱动牵引车辆的蓄能器配置进行了探讨，并对蓄能器的仿真和蓄能器与工程车辆液压系统间的匹配问题进行了研究，得到了一些有意义的结论；由文献［7］中波动载荷下蓄能器对工程机械液压驱动系统影响的仿真分析可知，设置单个蓄能器不可能全部吸收液压系统的压力冲击，尤其对于工程机械这种工作在剧烈波动载荷下的液压系统更是如此。另外，当液压系统对蓄能器的容量要求较大时，蓄能器的壳体外径过大，壳体、皮囊均不便制造且安装空间要求较大。

因此，本文采用不同固有频率的蓄能器组合来加宽吸收压力波动的频率宽度，根据载荷的特点以及系统的要求来调整蓄能器的各项参数，将多个囊式蓄能器并联在一起使用，既弥补了单个囊式蓄能器容量的不足，又能对蓄能器组中每个蓄能器设置不同的充气压力和容积，达到吸收不同压力区间、不同波动频率的波动压力的目的。

1 蓄能器对系统性能影响的仿真分析

1.1 工程机械波动载荷的仿真

各类工程机械的工作载荷均可分解成非平稳的确定性分量和平稳的随机性分量2部分，非平稳的确定性分量主要由工程机械的工作特性所决定［8］。以T180推土机水平工作阻力实验数据进行仿真，具体分为非平稳的确定性分量和平稳的随机性分量。波动载荷随机性分量的仿真，可以通过频率、幅值、初相位都不相同的谐和振动的合成来进行［9］。

根据波动载荷趋势项的拟合曲线，以时间为横坐标对每一时刻所对应的数据进行测量记录。为提高精度，应尽可能地减小测量区间，将测量后的数据与所对应的时间导入AMESim仿真软件中table editor工具，通过三次数值插值处理工具对数据进行处理，完成趋势项的仿真。实际测量时间为20s，时间间隔为0.5s；对应仿真中的时间为20s，为提高仿真精度，时间间隔缩小到0.01s。

工程机械质量系统巨大，其各项参数动态测试数据的谱长十分有限，频率结构属于低通窄带型，缓慢变化的直流分量在整个频谱能量中占有主要地位，其功率谱密度函数的能量主要集中在频率10Hz之前［10］。因此，对波动载荷的随机波动项进行仿真时，频率范围选为0～12Hz，则认为在该频率范围内集中了随机波动项的全部能量。为简便计算，将频率范围分为20等份，每份间隔0.6Hz。对功率谱密度函数谐和振动频率、功率谱能量以及谐和振动振幅进行测量计算，其结果参见文献［3］。

通过以上分析，对谐和振动进行信号叠加求和，对实验数据进行动态模拟。利用AMESim仿真软件信号库中的正弦模块、放大器模块、求和模块等进行模型搭建。根据文献［6］中计算结果进行参数设置，信号频率与谐和频率一致，幅值与谐和振幅相同，信号的初相角在0°～360°范围内随机选取，在仿真模型中加入之前仿真得来的非平稳趋势项进行波动载荷的仿真模拟。仿真模型如图1所示，其中a为非平稳趋势项。

图1 波动载荷仿真模型

波动载荷的动态模拟结果如图2所示。

图2 波动载荷的仿真模拟信号

从图2中可以看出实验数据的平稳随机项始终围绕其趋势项波动。对比文献［4］中实验数据的一个时间历程记录样本，发现模拟的波动载荷与实际测量的载荷同样波动剧烈，呈现出相似的变化规律，模拟出的随机项能够反映出实测随机项的剧烈波动幅度，且幅值与波动程度较为相似。对比结果说明仿真结果能复现实验数据，较真实地模拟了工程机械的实际工况，可以作为工程机械相关性能研究时的加载载荷。

1.2 蓄能器对液压系统压力冲击影响的仿真

1.2.1 仿真模型的建立

对蓄能器在阶跃载荷下对系统压力冲击的吸收过滤作用进行仿真分析和实验研究，结果表明，正确选择蓄能器参数能够很好地吸收外载荷波动引起的系统压力冲击。由于牵引型循环式工程机械通常工作在剧烈波动的载荷下，剧烈波动的载荷通过液压传动系统作用于发动机上，造成发动机转速急剧波动、工况恶化，动力性和经济性下降。

为了研究带有蓄能器的液压系统对波动载荷的抑制缓解作用，在仿真时利用对工程机械载荷谱分析研究得到的波动载荷的仿真模拟信号（图2），乘以驱动轮的半径，并除以传动比（终传动和轮边减速传动比），转换成波动转矩的仿真模拟信号，施加于单泵单马达液压驱动系统的马达上，进行仿真研究。仿真中加载的随机波动转矩信号如图3所示。

图3 仿真中加载的随机波动转矩信号

将波动载荷仿真模型加入到单泵、单马达驱动系统的仿真模型，如图4所示，主要仿真参数见表1所列。

为了对比分析，仿真中用3种方案分别研究系统中没有蓄能器、单蓄能器以及蓄能器组对液压驱动系统性能的影响，方案1是系统中蓄能器全部关闭，方案2是开启1个蓄能器，方案3是蓄能器全部开启。仿真中加载的波动转矩来源于对推土机推土阻力的仿真模拟，最大峰值为250N·m，样本长度为25s。系统仿真时间长度设定为25s，仿真精度设为0.01s。

图4 波动载荷下液压驱动系统仿真模型

表1 液压系统主要仿真参数设定

1.2.2 仿真结果分析

分别采用方案1、2、3，液压驱动系统在波动载荷下的压力响应曲线如图5所示。

从图5a可以看出，系统未设置蓄能器的情况下，当加载剧烈波动的外载荷时，系统压力随着外载荷的波动而波动，呈现出与外载荷一致的波动状况，液压传动系统对剧烈波动的载荷几乎没有抑制和阻断作用；根据此时系统压力的波动情况，设定单蓄能器的预充气压力为13MPa（峰值压力的85%），容积为8L。从图5b可以看出，系统压力在13MPa以上时，与推土机阻力趋势项一样地缓慢变化，蓄能器对高频的波动压力进行了有效地吸收，这是因为蓄能器预充气压力设定成13MPa所致；但是系统压力的其他区段仍然随着外载荷的波动而急剧波动，说明对于工程机械这种具有剧烈波动性质的载荷引起的系统压力波动，仅仅通过设置1个蓄能器不能实现在全范围内吸收系统压力波动所产生的压力冲击。因此，应考虑通过设置一组参数各不相同的蓄能器组成蓄能器组来吸收外载荷急剧波动所产生的压力冲击。蓄能器组中各蓄能器的参数应该根据系统压力的波动范围来分段设定。

图5 波动载荷下不同方案的系统压力响应曲线

在系统其他条件不变的情况下，将3个蓄能器并联组成蓄能器组加入系统中进行仿真分析。根据文献［6］可知，蓄能器的预充气压力设定为系统工作压力的80%～90%时，改善系统压力冲击的作用明显，既能保证吸收系统的压力冲击，又能保证系统的快速稳定性。系统中无蓄能器时系统的压力波动范围分为3段，分别是3～8MPa、8～12MPa、12～16MPa。因此，蓄能器的参数根据压力分段进行设定，具体数值见表2所列。

从图5c可以看出，在对液压系统加载剧烈波动的载荷时，通过给液压系统设置蓄能器组采取分段吸收压力冲击的方法，在整个波动范围内系统压力冲击的高频分量基本被蓄能器过滤吸收。系统压力在开始有所升高是由于系统压力低于蓄能器组中的预充气压力时，蓄能器对系统进行供油所致；在加载末尾阶段，波动载荷值下降，由于系统压力低于蓄能器组的预充气压力，蓄能器组向系统供油，使得系统压力下降变慢，没有随着载荷的急剧下降而快速下降，因而整个压力曲线变得平缓。

表2 蓄能器组参数设定

通过对波动载荷下蓄能器对工程机械液压驱动系统影响的仿真分析可知，必须采用不同预充气压力和不同固有频率的蓄能器组成蓄能器组来加宽吸收压力波动的幅值范围和频率宽度，这样将多个囊式蓄能器并联在一起使用，可以吸收由波动载荷引起的系统压力冲击。

2 蓄能器对系统压力冲击影响的实验研究

通过上述理论研究与仿真分析可知，参数选择正确的蓄能器对液压系统的压力冲击具有良好的吸收作用。课题组以工程机械液压底盘模拟试验台为实验平台，进行蓄能器对阶跃载荷下液压底盘驱动系统压力冲击吸收的实验研究。实验中选取试验台单泵、单马达系统，其原理如图6所示。该系统中配置有3个并联的、容积和预充气压力各不相同的蓄能器，在进行冲击或脉动载荷试验时，可以研究工程机械驱动系统的性能以及进行蓄能器改善载荷特性的研究；由于蓄能器的设置改变了驱动系统的动态性能，还可以进行不同载荷工况下系统参数匹配方面的研究。考虑到试验台研究的多样性，系统中的蓄能器容积设置为1.5、5、10L。预充气压力根据实验需要，设置为系统压力的85%左右。

同样，分别采用3种方案进行对比实验，方案1是关闭试验台驱动系统的蓄能器组，加载的阶跃载荷曲线与系统压力响应曲线如图7所示；方案2开启蓄能器组中的1个蓄能器，其参数为容积1.5L、预充气压力8MPa，加载的阶跃载荷曲线与系统压力响应曲线如图8所示；方案3是蓄能器组全部打开，蓄能器组由3个蓄能器并联组成，其容积分别为1.5、5、10L，预充气压力分别设定为8、10、12MPa，加载的阶跃载荷曲线与系统压力响应曲线如图9所示。

图6 试验台单泵单马达系统原理图

图7 方案1阶跃载荷曲线和系统压力响应曲线

图8 方案2阶跃载荷曲线和系统压力响应曲线

图9 方案3阶跃载荷曲线和系统压力响应曲线

由图7可以看出，方案1工况下，由于关闭了所有的蓄能器，当给系统的液压马达加载阶跃载荷时，系统压力冲击很大，超调量达到21.7%，这对液压驱动系统的损害相当大。由图8可以看出，方案2工况下，当给系统加载阶跃载荷时，在方案1工况中频繁出现的高频压力冲击大部分能被蓄能器吸收，但是系统压力冲击的最大超调量为9.82%，这可能与蓄能器容积偏小（1.5L）、预充气压力较低（8MPa）有关。由图9可以看出，方案3工况下，当蓄能器组全部打开时加载阶跃载荷，系统压力的最大超调量仅为1.1%。实验结果很好地验证了前述理论的正确性，表明了蓄能器对系统压力的高频分量具有很好的吸收过滤作用，正确配置蓄能器组参数能明显改善波动载荷对工程机械液压驱动系统带来的压力冲击。

3 结 论

本文通过仿真分析与实验研究，进行了阶跃载荷与波动载荷下蓄能器对工程机械液压底盘驱动系统性能的影响分析，得出的结论如下：

（1）合理地设置蓄能器参数能使蓄能器对系统产生的高频压力冲击具有有效的滤波作用；对于工作在剧烈波动载荷下的工程机械液压驱动系统，应该将多个参数不同的蓄能器并联在一起使用，达到消减不同压力区间、不同波动频率的压力波动的目的。

（2）在系统中配置蓄能器组并合理匹配参数时，其吸收压力冲击的能力与系统的响应速度都优于单个蓄能器。配置蓄能器组时，应该根据系统的压力变化幅度来分段配置蓄能器组的参数，使蓄能器组在压力波动的全范围内都能够有效地吸收压力冲击，但是也不能一味增多蓄能器的个数，因为蓄能器数量的增加会导致泄漏量增加。

（3）利用工程机械液压底盘模拟试验台进行的阶跃载荷实验，很好地验证了本文理论分析的正确性。实验结果表明，蓄能器对系统压力冲击的高频分量具有很好的滤波作用，正确配置蓄能器组参数能在一定程度上缓解波动载荷对工程机械液压驱动系统带来的不利影响。

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