基于AMESim的A4VG變量泵動(dòng)態(tài)特性分析

基于AMESim的A4VG變量泵動(dòng)態(tài)特性分析2011-11-1515:54:54

作者：孫東坡王建明張戈魏海洲

來源：本文介紹了對在大噸位履帶起重機(jī)液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的A4VG主泵工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，建立A4VG主泵詳細(xì)的AMESim仿真模型，分析動(dòng)態(tài)變化過程中伺服閥芯及排量調(diào)節(jié)缸的動(dòng)作過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的正確性。0引言采用先進(jìn)的數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，可以提高產(chǎn)品開發(fā)效率、節(jié)約成本。重要部件的仿真模型是整機(jī)數(shù)字化樣機(jī)的重要組成部分，它的準(zhǔn)確與否直接影響整機(jī)數(shù)字化樣機(jī)的質(zhì)量。A4VG系列泵是德國力士樂公司生產(chǎn)的變量泵，在大噸位履帶起重機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。本文通過對A4VG250EP4變量泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的深入分析，結(jié)合泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立其AMESim仿真模型，對其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究，保證主泵模型的準(zhǔn)確。1A4VG變量泵原理及結(jié)構(gòu)1.1A4VG泵工作原理A4VG250EP4變量泵液壓原理如圖1所示。其由伺服閥、變量調(diào)節(jié)缸、柱塞、斜盤、單向溢流閥及壓力切斷閥等組成。其中由伺服閥和變量調(diào)節(jié)缸等組成的變量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)決定了主泵的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖1A4VG250EP4變量泵液壓原理圖由圖1可知，a、b兩端比例電磁鐵電流的大小決定了伺服閥打開的方向及開口度，通過控制伺服閥開口可以改變變量活塞的位移，進(jìn)而改變泵斜盤的傾角，達(dá)到變量的目的。該系統(tǒng)是力反饋式閉環(huán)控制回路，具有結(jié)構(gòu)緊湊，響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，且便于遠(yuǎn)程控制。1.2A4VG泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程伺服變量機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，該變量機(jī)構(gòu)主要由兩端比例電磁鐵、伺服閥芯、杠桿、撥叉及排量調(diào)節(jié)彈簧缸等組成。圖2伺服變量機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作過程圖其工作過程如圖2所示。當(dāng)右邊電磁鐵得電時(shí)電磁力推動(dòng)伺服閥芯向左運(yùn)動(dòng)打開伺服閥閥口，同時(shí)推動(dòng)撥叉向左張開，此時(shí)撥叉上彈簧力與電磁力平衡(如圖2(a)示);伺服閥芯的運(yùn)動(dòng)使得排量調(diào)節(jié)彈簧缸右腔與伺服壓力相連，在伺服壓力的作用下排量調(diào)節(jié)缸活塞桿向左伸出實(shí)現(xiàn)變量，同時(shí)在杠桿的作用下推動(dòng)撥叉進(jìn)一步向右張開，此時(shí)撥叉上彈簧力大于電磁力(如圖2(b)示);在彈簧力的作用下?lián)懿孀蟀脒呄蛑虚]合，同時(shí)推動(dòng)伺服閥芯復(fù)位(如圖2(c)示)，此時(shí)撥叉上的彈簧力與電磁推力平衡，排量調(diào)節(jié)缸的液壓力與彈簧力平衡，排量調(diào)節(jié)缸的活塞桿穩(wěn)定在特定伸出位置(即泵穩(wěn)定工作在某一排量下)直到電流產(chǎn)生變化;當(dāng)右邊電磁鐵失電時(shí)，在彈簧力的作用下?lián)懿娴淖蟀脒呁苿?dòng)伺服閥芯向右運(yùn)動(dòng)，彈簧恢復(fù)至初始長度，使得排量調(diào)節(jié)缸右腔與T口相連(如圖2(d)示);在排量調(diào)節(jié)缸彈簧力的推動(dòng)下活塞桿回到初始位置(即泵的排量為0)，同時(shí)在杠桿的作用下推動(dòng)撥叉張開(如圖2(e)示)，此時(shí)撥叉上彈簧力大于電磁閥推力;撥叉在彈簧力的作用下復(fù)位，同時(shí)推動(dòng)伺服閥芯復(fù)位(如圖2(f)示)。由力士樂零部件圖冊可以得出調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及尺寸。伺服閥結(jié)構(gòu)及尺寸、撥叉各力作用點(diǎn)距離、杠桿各力作用點(diǎn)距離等信息可以由圖3得到;排量調(diào)節(jié)彈簧缸結(jié)構(gòu)及尺寸如圖4所示。圖3伺服閥、撥叉及杠桿結(jié)構(gòu)尺寸圖4排量調(diào)節(jié)彈簧缸結(jié)構(gòu)及尺寸2A4VG變量泵數(shù)字樣機(jī)模型根據(jù)前文對伺服變量機(jī)構(gòu)工作過程及其結(jié)構(gòu)尺寸的分析，下面在液壓仿真軟件AMESim中搭建調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仿真模型。撥叉機(jī)構(gòu)可以用兩個(gè)杠桿機(jī)構(gòu)模擬，但是在撥叉的任一側(cè)桿上都有三個(gè)不同的力作用點(diǎn)(彈簧力作用點(diǎn)、杠桿力作用點(diǎn)和伺服閥力作用點(diǎn))，且撥叉工作時(shí)杠桿力和伺服力分別作用于撥叉兩側(cè)。為了利用AMESim機(jī)械庫已有模型簡化系統(tǒng)建模，杠桿與撥叉機(jī)構(gòu)需做等效處理，把杠桿與撥叉左右兩邊的接觸點(diǎn)等效到撥叉與伺服閥芯接觸點(diǎn)處(等效前后結(jié)構(gòu)如圖5示)。這樣撥叉的兩側(cè)就可以用有兩個(gè)力作用點(diǎn)的杠桿模擬。圖5杠桿力作用點(diǎn)等效處理前后對比基于以上分析，利用AMESimHCD庫、信號庫及機(jī)械庫元件搭建調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真模型如圖6示。端口1為排量調(diào)節(jié)缸伸出位移量，用于調(diào)節(jié)柱塞泵斜盤傾角，端口2為伺服壓力輸入口，端口3、4為比例電磁鐵電流輸入口。模型中伺服閥、變量缸、杠桿及撥叉等部分結(jié)構(gòu)尺寸均由力士樂零部件圖給出。圖6伺服變量機(jī)構(gòu)仿真模型將伺服變量機(jī)構(gòu)仿真模型作為子模型，搭建A4VG變量泵詳細(xì)液壓仿真模型如圖7示。圖7A4VG變量泵詳細(xì)液壓仿真模型3仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證按照圖2動(dòng)作過程，0s時(shí)在b端加600MA階躍電流待調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定后b端電流變?yōu)?，圖8、圖9分別為伺服閥芯及排量調(diào)節(jié)油缸位移量變化曲線。圖8伺服閥芯位移變化過程圖9排量調(diào)節(jié)油缸位移變化過程由圖8可知，在b端電流激勵(lì)下閥芯先向左運(yùn)動(dòng)，并在杠桿撥叉機(jī)構(gòu)的反饋調(diào)節(jié)作用下回到初始位置，電流消失時(shí)，在撥叉彈簧力作用下向先右運(yùn)動(dòng)，杠桿撥叉機(jī)構(gòu)的反饋調(diào)節(jié)作用下回到初始位置。由圖9可知，閥芯向左運(yùn)動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)油缸伸出，閥芯復(fù)位時(shí)保持其伸出狀態(tài)，直到b端電磁鐵失電，油缸右腔與T口相連時(shí)調(diào)節(jié)缸活塞在彈簧力作用下復(fù)位。伺服閥芯與排量調(diào)節(jié)油缸位移變化的仿真結(jié)果與前文分析一致。為驗(yàn)證A4VG250EP4主泵仿真模型的正確性，在液壓綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行泵的動(dòng)靜態(tài)性能測試(如圖10所示)，其中泵的效率等測試量作為仿真模型的輸入?yún)?shù)，其流量等動(dòng)態(tài)性能作為模型校驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖11為500MA電流下泵流量動(dòng)態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線及仿真曲線對比。仿真及實(shí)驗(yàn)曲線的對比表明仿真模型是正確的。主泵系統(tǒng)響應(yīng)有一定的延時(shí)，但穩(wěn)定，無震蕩。圖10A4VG250EP4泵測試綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)圖11500MA電流下泵