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液压平衡回路动态特性建模与仿真

作者:创始人 日期:2019-10-15 人气:1428

引言
       当负载力的方向与执行元件运动方向相同时, 负载力将助长执行元件的运动, 此时就需要在执行元件的回油路设置一定的背压来平衡负载, 以使执行元件能够平稳运动, 这种因设置背压而与负载力相平衡的回路称为平衡回路。平衡回路广泛的应用于工程机械领域, 而且在该领域中大部分的平衡回路都是由平衡阀构成。
       平衡阀是流体领域中重要且复杂的控制元件, 对系统的压力和流量都产生着影响, 其特性直接影响着执行元件的运动能否平稳, 因此在平衡回路设计中, 平衡阀的选型就显得至关重要。通常情况下, 作为液压系统设计人员是难以获取平衡阀的内部结构参数的,因此很难建立精确的阀件仿真模型, 而由平衡阀构成的平衡回路也就往往无法得到其动态特性。
       本研究基于平衡阀样本中的先导全开节流特性和 溢流特性建立其数学模型, 搭建忽略其内部结构参数的一般性仿真模型, 以便液压设计人员能够容易地建立起平衡阀和平衡回路的仿真模型, 进而验证阀件的选型是否合适以及分析平衡回路的基本特性。
1 平衡阀数学模型
       一般常用的平衡阀可近似看作为带有单向阀的先导辅助溢流阀。在作用负负载的平衡回路中, 由于平衡阀的单向阀始终处于关闭状态, 对平衡回路的流量不产生影响, 因此主要产生影响的是先导辅助溢流阀,其先导辅助的溢流特性决定了平衡回路的流量。平衡阀的先导力又取决于先导比, 其阀芯受力分析如图 1所示。

       溢流特性建立其数学模型, 搭建忽略其内部结构参数的一般性仿真模型, 以便液压设计人员能够容易地建立起平衡阀和平衡回路的仿真模型, 进而验证阀件的选型是否合适以及分析平衡回路的基本特性。
1 平衡阀数学模型
       一般常用的平衡阀可近似看作为带有单向阀的先导辅助溢流阀。在作用负负载的平衡回路中, 由于平衡阀的单向阀始终处于关闭状态, 对平衡回路的流量不产生影响, 因此主要产生影响的是先导辅助溢流阀,其先导辅助的溢流特性决定了平衡回路的流量。平衡阀的先导力又取决于先导比, 其阀芯受力分析如图 1所示。

       当忽略平衡阀液动力和系统回油压力时, 平衡阀阀芯在平衡位置时的受力方程为:

       设阀芯通流面积与阀芯位移相关压力成线性关系, 则由式( 9) 、式( 10) 得:

2 液压平衡回路数学模型的建立
       液压缸和平衡阀构成的平衡回路如图 2 所示, 根据牛顿定律, 建立液压缸力平衡方程为:

3 平衡回路 Simulink 仿真模型
1) 液压缸仿真基本参数
       某平台载人服务篮主臂液压缸为 Φ220 /125, 无

根据样本中平衡阀溢流特性曲线, 如图 4 所示, 从

3) Simulink 模型
       利用 MATLAB /Simulink 软件中丰富模块库, 建立基于 Simulink 的平衡回路仿真模型, 其仿真结果直观可靠。根据式( 15) ~ 式( 18) 得到 Simulink 仿真模型如图 5 所示。

4) 平衡回路仿真结果
       当平衡回路搭建完成后, 液压元件基本参数就已确定。此时, 平衡回路主要由其输入流量影响其动态特性, 因此, 可通过选取不同的输入流量对回路进行时域分析, 进而得到液压缸无杆腔压力 pA 曲线以及液压缸有杆腔压力 pB 曲线, 如图 6、图 7 所示。
       当系统处于稳态时, 联立式( 15) ~ 式( 18) 并当 qB =5 GPM 时解方程组可得: pA = 10. 37 MPa, pB = 4. 65MPa; 当 qB = 10 GPM 时 解 方 程 组 可 得: pA = 12. 26MPa, pB = 7. 47 MPa; 当 qB = 15 GPM 时解方程组可得: pA = 13. 94 MPa, pB = 9. 98 MPa。对比 Simulink 仿真结果与联立公式计算结果, 两者基本一致, 由此可 知, 不同的输入流量有着不同的先导开启压力, 流量越大需要的先导开启压力也越大。

       同的活塞速度和位移, 输入流量越大则活塞运动速度越大, 活塞位移变化也越快。
4 结论
       利用平衡阀的先导全开节流特性曲线和溢流特性曲线建立平衡阀的数学模型, 并以此模型构建液压缸平衡回路, 用 MATLAB /Simulink 对平衡回路进行仿真分析。通过仿真能够得到平衡回路中液压缸有杆腔和无杆腔的控制压力特性, 以及活塞的速度和位移运动特性, 为评估平衡阀的选型以及对平衡回路的动态仿真提供了有效方法。
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