基于AMESim的进油节流调速回路建模与仿真

罗之军

(贵州职业技术学院　贵阳　550023)



基于AMESim的进油节流调速回路建模与仿真

罗之军

(贵州职业技术学院贵阳550023)

摘要：进油路节流调速回路是液压系统基本回路，掌握进油节流调速回路的工作原理及工作动态特性尤为重要。利用AMESim仿真软件对进油路节流调速回路进行建模设计与仿真分析，可较为直观地反映系统工作的动态特性，为系统设计和元器件参数选择提供理论依据。

关键词：进油节流调速回路；建模；仿真；AMESim

1前言

在液压传动系统中，调速回路是液压基本回路之一，调速回路包括节流调速回路、容积调速回路、容积节流调速回路，其中节流调速回路在液压传动中有着广泛应用。节流调速回路因节流元件安装位置不同又分为进油路节流调速回路、回油路节流调速回路和旁油路节流调速回路。进油节流调速回路由定量泵供油，在系统进油路安装节流阀，通过调整节流阀开口大小调节进入液压执行元件的流量，从而达到调节执行元件运动速度的目的。在调速的过程中，回路的动、静态特性受元件参数的设定等多种因素影响，当参数调整不当时，调速回路的作用无法发挥，严重时会影响到整个系统的稳定性。因此在进油路节流调速液压系统的设计和分析中，有必要对回路进行仿真，以便更加准确分析和判断回路的动态特性。

2进油路节流调速回路理论分析

进油路节流调速回路采用定量泵供油，节流元件串联在执行元件进油路上，采用溢流阀作为分流元件，在调速过程中，液压泵的输出压力基本保持不变。进油节流调速回路如图1所示。pP为液压泵出口压力，qP为液压泵输出流量 ，q1为溢流阀流量，q为液压缸进油腔流量，p1为液压缸进油腔压力，p2为液压缸回油腔压力，Ax为节流阀节流口通流面积，A1为液压缸进油腔活塞有效面积，A2为液压缸回油腔活塞有效面积，F为液压缸外负载，v为活塞运动速度。忽略油温变化、液体的压缩性、油管阻力损失及油管泄漏、活塞摩擦等因素，进入液压缸的流量为

q=KAx(pP-p1)m

(1)

式中K为节流阀孔口特性系数，其取值K=0.61～0.62；Ax为节流阀孔口通流截面面积；m为节流阀孔口长度决定的指数，其取值为m= 0.5。

根据连续性方程可计算活塞的运动速度为

(2)

液压缸进油腔压力为

p1=(F+p2A2)/A1，因忽略管路压力损失，p2≈0 ，则

p1=F/A1

(3)

由式(1)、(3)可求出活塞的运动速度为

(4)

式(4)为进油路节流调速回路的速度—负载特性方程，从方程可知液压缸活塞的运动速度受节流阀开口大小Ax及负载F 的影响，液压缸活塞的运动速度v 与节流阀开口大小Ax成正比关系；液压缸活塞的运动速度v 随着负载F的增加而减小。

3进油路节流调速回路的AMESim建模与仿真分析

AMESim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，用于工程系统建模、仿真和动态性能分析。可以使用已有模型或建立新的子模型来构建优化设计所需的实际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面比较友好、操作方便。用户完全可以应用集成的一整套AMESim应用库来设计一个系统，所有的模型都经过严格的测试和实验验证。AMESim不仅可以令用户迅速达到建模仿真的最终目标，而且还可以分析和优化设计，降低了开发成本，缩短开发的周期。所以AMESim被广泛地应用于液压系统的建模与仿真中，用来分析液压系统的动态特性等。

3.1进油路节流调速回路AMESim建模

AMESim系统提供了丰富的液压元件和机械元件，对于进油节流调速系统建模，液压元件可直接从液压元件库中选取，系统中电机、负载可从机械元件库中选取，选取质量块替代惯性负载、选取单位力单元代替力负载，单位力单元本身没有参数，而力负载大小则通过信号单元参数设置确定。模型中各元件的连接与液压系统原理图元件连接相同。

进入AMESim环境，在Sketch 模式下调用液压元件库中的单作用液压缸、节流阀、液压泵、溢流阀及油箱等元件，在机械元件库中调用电机、质量块及单位力单元元件，在信号元件库中调用信号元件，按照进油节流调速回路液压系统原理图建立如图2所示系统仿真模型，在Submodle模式下为每个元件选择默认首选子模型。

3.2参数设置

进入Parameter模式，设置元件参数,如表1所示。

图1　进油路节流调速回路

图2　进油路节流调速回路系统仿真模型

表1　元件参数设置列表

3.3仿真分析

在Simulation模式下，设置仿真运行时间为3s，通信间隔时间为0.1s，运行仿真，仿真结果如下。

结果一：当信号元件参数设为25000时，产生负载为25kN，分别设置节流阀等效孔径为2mm、2.5mm、3mm，对应节流阀开口Ax3、Ax2、Ax1，有Ax3

图3　速度曲线

图4　速度-负载特性曲线

结果二：当信号参数设为起始阶段0，结束阶段30000，分别设置节流阀等效孔径为2mm、2.5mm、3mm，对应节流阀开口Ax3、Ax2、Ax1，即Ax3

4 应用实例

图5是普通平面磨床的液压系统图。磨床最大切削力为800N，工作台及工件质量M=2000kg，液压缸直径80mm，活塞杆直径63mm，总回程为700mm，惯性负载4kN，阻力负载4kN。系统由定量泵1供油，溢流阀2调定系统压力，换向阀5对工作台运动进行换向，磨床工作台进给速度由节流阀4调节。图6是磨床液压系统的AMESim仿真模型，在仿真过程中设置磨床的工作台质量2000kg，切削力0.8kN，阻力负载8kN，液压缸直径80mm，活塞杆直径63mm，活塞行程0.7m，溢流阀调定压力3MPa进行仿真，仿真结果如图7所示。图中A1为节流阀开口等效孔径为1mm时的速度曲线，A2为节流阀开口等效孔径为1.5mm时的速度曲线，A3为节流阀开口等效孔径为3mm时的速度曲线。由图可知，当节流阀开口等效孔径为1mm时，在液压缸启动阶段速度不稳定，动态性能较差，工作台的速度为0.0083m/s；当节流阀开口等效孔径为1.5mm时，动态性能比等效孔径为1mm较好，但启动阶段速度仍有波动，工作台的速度为0.019m/s；当节流阀开口等效孔径为2mm时，工作台在整个运动过程中动态性能较好，可获得稳定的速度，速度为0.034m/s。由此可得到该调速系统的最低稳定速度为0.034m/s。

图5　普通平面磨床液压系统图

在磨床调速过程中，调节节流阀的开口大小以调节工作台进给速度，节流阀开口不同，对调速动态特性有很大影响，要获得稳定的速度和较好的动态特性，节流阀开口大小的调节很难把握，通过对该液压系统进行仿真，可以预先获得在稳定速度及良好的动态特性下节流阀开口大小的调节范围。根据对磨床调速回路仿真结果可知，节流阀的最小开口宜调定为等效孔径2mm，系统可获得最低稳定速度为0.034m/s，对该系统实际工作时的调速提供依据。

图6　磨床液压系统仿真模型

5结论

利用AMESim液压仿真系统建立进油路节流调速回路仿真模型，对回路特性进行仿真研究。结果表明，应用AMESim图形化的液压系统建模方法，能简化公式推导和参数设置步骤，有效提高研究效率，同时，仿真结果也能较好地反映液压系统动态特性，对液压系统设计和液压元件主参数的选择提供较为准确的依据。

参考文献

[1]郭晓松,祁帅,于传强,等.工程机械的节流调速回路仿真分析.流体传动与控制, 2009(1).

[2]骆简文,朱琪,李兴成.液压传动与控制.重庆:重庆大学出版社,2006.

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

[4]张宪宇,陈小虎,何庆飞.基于AMESim的液压缸故障建模仿真.液压气动与密封,2011(10).

(责任编辑：谢鸣)

收稿日期：2016-05-19

作者简介：罗之军(1977—)，男，贵州金沙人，副教授。

文章编号：1008—2573(2016)02—0051—05

Modeling & Simulating of Meter-in Circuit Based on AMESim

LUO Zhijun

(Guizhou Vocational Technology InstituteGuiyang550023)

Abstract:Meter-in circuit is a basic circuit of hydraulic system; it is very important to grasp the running principles and dynamic characteristics of meter-in circuit. Modeling and Simulation analysis conducted in meter-in circuit by means of AMESim software can reflect intuitively the dynamic characteristics of it, which provides some theoretical bases for system design and hydraulic components parameter selection.

Key words：Meter-in circuit; Modeling; Simulation; AMESim