基于AMESim的全液压转向系统的仿真分析.pdf

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2011年第10期(总第243期)农业装备与车辆工程AGRICUL，I’URALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERINGNo．1020ll(Totally243)doi：10．3969乃．issn．1673—3142．2011．10．011基于AMESim的全液压转向系统的仿真分析贺海洋，李建朝(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003)摘要：AMEsim是法国EMAGINE公司开发的高级工程系统建模仿真软件，为机械液压控制等工程系统提供一个较为完善的时域仿真建模环境。通过在AMEsim仿真软件中建立全液压转向系统中优先阀和转向油缸的仿真模型，得出系统的仿真结果曲线，并进行分析，这对进一步提高工程机械的转向性能有一定的指导意义。关键词：AMESim；转向系统；优先阀；转向液压缸；仿真模型中图分类号：THl37．3；11P391．9文献标识码：A文章编号：1673—3142(2叭1)10—0036—04SilnlllationandAnalysisofU地WholeHydralllicSteedngSyst哪B躐d蛐AMESiInHeHaiy肌g，LiJi蚰ch∞(HenanUnivers畸ofScienceaIldTechnology，MechaIlicalaIldElectricalEn西needngCoUege，Luoy粕g471003，China)Abstract：AMESimw聃akindofadv卸ceden画neeTingsystemmodelingandsimulation∞ftwarewhichw鹊con啊vedbyEMAGINEeompanyinFI丑nce．Itpmvidedamorecomprehensivetime—domainsimIllationmodelingenvim砌entformechanicalhydI硼liccontIDlen矛neeringsystemandsoon．Byes切blishingthep订orityva量ve阴dsteeringcylindersimulati∞model0ftIlewholehydmulicsteeringsysteminAMESimenvimnment，tIlesimulationre8ultscurveofthesystemw鹊obtain粕danalyzed，whichh踮cenaindirectivesignificancef撕缸nherimprovingsteeringped．0肋anceofengineeringmachineIy．Kq唧ords：AMESim；steeringsystem；p—ori哆valve；stee而nghydmuliccylinder；shulati佣model0引言随着近年来我国铁路高速公路建设的高速发展，工程机械也朝着大型化趋势发展，T程机械转向阻力矩也随之提高．靠单级全液压转向器控制的液压动力转向系统已不能满足转向要求。全液压转向系统具有转向灵活轻便、性能稳定、故障率低、布置方便等优点，广泛应用于装载机、挖掘机等各种工程机械的转向系统。所以全液压转向系统的性能仿真分析和试验研究，对提高工程机械在工作中的可靠性和高效性有着非常重要的意义[5|。由法国EMAGINEG公司开发的AMESim。作为一款优秀的的仿真软件．已成为流体、机械、热分析等复杂系统建模和仿真的优先选择平台⋯。本论文首先分析了全液压转向系统的工作原理及各部件组成．在此基础上结合转向系统原理，在AMEsim平台对系统关键元件建模仿真，研究分收稿日期：2011一07埘作者简介：贺海洋(1986-)，男，河南洛阳人，在读硕士研究生，主要从事液压传动及机电液一体化技术的研究。一36一析了输入信号下全液压转向系统关键元件的工作特性。1全液压转向系统概述全液压转向系统集转向器和流量放大器于一体，既具有转向器的负荷传感功能，又具有流量放大功能。在转向油路与T作油路同时工作的情况下．液压转向泵供油优先满足转向油路使用。剩余部分供给工作油路使用。因此，它既能保证转向油路可靠工作，又减小了液压泵排量，达到节能的目的。由于转向阀与放大阀合而为一，因此具有体积小，重量轻、排量大和压力损失小等优点。图1是由摆线马达转向装置组成的流量放大全液压转向系统的工作原理图。在结构上，主要由液压泵、优先阀、安全阀、溢流阀、计量马达等元件组成。转阀阀芯1l直接与转向盘10装在一起．而阀套8则和计量马达13的轴相连。转向系统处于中位时，液压泵2将油箱14中的液压油经滤油器l输至优先阀4，经过转向器负载敏感口LS的反馈调节使优先阀处于右位，由液压泵2流出的液 贺海洋等：基于AMEsim的全液压转向系统的仿真分析2011年lo月图1全液压转向系统工作原理1．滤油器2．液压泵3．溢流阀4．优先阀5．补油阀6．缓冲阀7．转向液压缸8．阀套9．复位弹簧10．转向盘11．阀芯12．单向阀13．计量马达14．油箱压油经EF口流回油箱。此时，阀套8和阀芯11之间由于复位弹簧9的作用使两者处于中位状态．同时计量马达13的进出油口Ml和Mz也处于封闭状态，所以转向油缸7的进出口R及L也被阀芯封死，转向液压缸没有油液流入，故车辆保持直线行驶。EF口可以接人其它T作回路，当EF口所连接的工作回路与转向系统同时工作时．优先阀4保证转向系统的用油转向液压缸的另一腔油液经过L口流回油箱：优先阀的负载敏感油口只参与了优先阀的动作控制，如果液压泵采用变量泵，LS油路也可以参与变量泵的排量控制．提高了整个系统的工作效率。当车辆右转时，转向盘10顺时针低速转动。优先阀上LS口反馈CF出口压力，使阀芯处于左位的状态，从泵出来的油液大部分进入转向系统。同时，阀芯11上的油道和阀套8上的油孑L接通，构成所需的配油通道，油液由阀体上的P口进入。流经阀芯11中的通道经阀套8上的油孔至计量马达的人口M1．并经过MZ和阀套上油孔流回阀芯上通道，最后经阀体上R口进入转向液压缸，推动转向液压缸的活塞移动。使车轮偏转，实现转向。油液流经计量马达时，计量马达转子经连接轴与阀套8相连，故阀套会跟随转向盘(阀芯)的转动而转动，当转动完毕时，计量马达产生的反馈信号消除了阀芯相对阀套的输出信号时．阀芯和阀套重新处于中位位置．流人计量马达的油孔关闭，无油液流出转向器，车轮保持转向后的位置【引。2利用AMESim建模仿真为了尽可能较真实地反映系统特性．在运用AMEsim仿真软件建立转向系统各部分元件的仿真模型前，先建立转向系统各元件的数学模型。从转向系统各部件的丁作原理和系统的工作原理出发，对转向系统的关键部件建立数学模型，并且假定系统各元件的压力、流量、分泄漏等参数在理想状态条件下[引。根据转向系统各元件的数学模型及数学关系，在AMEsim中Hydraulic库选用合适的液压元件以及HCD库中元件搭建所需的液压元件来建立转向系统模型。在建模过程中，需要依次完成四个步骤，即：草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式。其中草图模式是创建模型的核心步骤，在进行此步骤设计时，应全面仔细考虑系统各部件的功能，并将组成系统各部件按功能划分，再用AMESim模型库中提供的功能模块表示。根据模型原理连接各模块。在子模型模式和参数模式下选择合适的子模型以重现实际模型．并设置各子模型参数，最后进入仿真模式进行仿真环境的设置，然后运行仿真[引。2．1优先阀仿真模型转向系统中的优先阀是优先保证向转向系统提供转向所需的压力和流量．本系统选用的是一种动态信号优先阀，阀上Ls油路上节流口是优先阀内用于反馈全液压转向器中负载敏感Ls口的压力而设置的；阀内有一个内置溢流阀作为安全阀使用，其设定的压力比转向系统需求压力高2MPa左右，保证转向安全可靠。在理想条件下。优先阀的流量方程和阀芯力平衡方程如下所示：1)根据流量连续性方程，各节流口流量关系：厂r———一Qlc尸cd形∥，、／÷假一哟VP厂r———一如=o％戈-’、／÷假一黝TPQFQ—Q西式中如、Q。厂经CF、EF节流口的流量，UIllin；形以形。厂—优先阀CF口和EF口的面积梯度，mm2；QI_一流人优先阀的流量，umin；只、乃、只——各节流口对应压力，MPa；白一节流口流量系数。一37— 2011年第lO期农业装备与车辆丁程2)根据力平衡方程得，优先阀阀芯所受力方程：，蟛14，(只2_只I)一．|}0l—砧一日厉l式中m广—优先阀阀芯和弹簧的质量，kg；菇。——优先阀阀芯位移，唧；A广—优先阀阀芯面积，mm2；后——优先阀上弹簧刚度，N，咖；珩一优先阀弹簧预缩量，nun；酚川先阀内部弹簧阻尼系数，kg，s。图2优先阀仿真模型图2是根据优先阀的流量连续性方程和力平衡方程及优先阀的原理，选用AMEsim中HcD元件库中模型及液压元件库模型，在草图模式下下建立的转向系统中优先阀的模型。其中。优先阀仿真模型优先阀上相关参数：额定状态下优先阀的开度戈。=o．36mm：优先阀阀芯直径D。=20mm；优先阀阀杆直径舡10mm；优先阀运动部件质量，擎瓤麟+m弹簧=0．196kg；弹簧刚度||}=1．35×104N，m；LS油路上的节流口直径为：也：0．6mm：优先阀上的溢流阀压力设定为：p庐260bar。2．2转向油缸的仿真模型从全液压转向器流出的动力油液．供给转向油缸，转化成动力，推动车辆转向传动机构运动，从而实现转向轮转向。为建模简单起见，将对称连接的单出杆油缸抽象为一双出杆油缸．其抽象模型如图3所示，其中车辆转动传动机构的质量和负载表示为％、蜀。一38一R图3转向油缸工作原理等效图转向油缸的流量方程如下：转向油缸输入口与转向器的输出口相连．所以流入转向油缸的“为：％；碰，譬+clP(p6_p7)+c口兄流出转向油缸的流量纵为：啦尉，譬+clP(P卿7)+c口B式中C，，、ca——转向油缸的内、外泄漏系数；K—单位转换系数；K=0．06；Ap__转向油缸的活塞有效面积，uIIlin。如他——转向油缸活塞的移动速度，m—s。转向油缸的力平衡方程为：A如i—p≥=FL+F。式中R_—作用于转向油缸活塞上的外部载荷，N；F，广—转向油缸的内部摩擦力，与外部载荷相比，可忽略不计，N；p；、p厂—_转向油缸的有杆腔和无杆腔的压力，MPa。图4转向油缸仿真模型图4为根据双出杆缸结构征AMESim中建立的转向油缸模型。根据转向油缸的数学模型及实际结构尺寸确定转向油缸模型的参数如下：活塞作用面积：Ap：要(驴一而：2．2×lo．3mm2‘4’。运动部件质量：m=0．7kg。模型中转向油缸活塞上的外部载荷力由信号转换成力加载到转向油缸的活塞上．信号形式可以任意设定。3仿真结果和分析当模型建立完毕后．进入AMESim仿真软件的运行模式，在工具栏选项Simulation中选择时域模式。在这种模式下进行仿真，可得到仿真模型各参数结果曲线。当仿真运行参数设置完毕后，运行仿真模型，在仿真软件的工具栏上运用仿真结果进行显示与分析工具。如绘图工具、线性分析工具等，显示仿真结果曲线及分析仿真结果的特性。 贺海洋等：基于AMEsim的全液压转向系统的仿真分析2011年10月3．1仿真结果仿真条件设定为转向系统工作的额定工况，即输入系统的泵源压力恳=17MP：在此工况下．输入角位移阶跃信号(如图5)，观察转向系统输出参数的变化。以角位移阶跃e=600作为输入信号，观察优先阀阀芯位移、系统输出流量、压力等参数的瞬态响应曲线。殳援辩胡．叵椒ZqO5IU时间，s图5角位移阶跃信号曲线在角位移阶跃情况下，优先阀阀芯位移菇(图6)；系统输出流量，即输入转向油缸的流量Q(图7)；系统压力，即转向油缸高压腔的压力P(图8)。f_一L弋——_‘j|＼)80口∞毒40黎20O-加时间，s图6优先阀阀芯的位移曲线6时间，s图7流入转向油缸的流量曲线旷时I司，s图8向油缸高腔压力曲线3．2结果分析由以上图6、图7、图8，可以得出以下结论：当输入信号是角位移阶跃时，转向系统输出各参数基本趋于稳定。当在转向系统上施加角位移阶跃信号时，系统流量会有一短暂时刻的增加．然后恢复为零。这主要由于当在阀芯加上角位移信号后，阀芯阀套相对转角或相对位移从零激增到最◆大，导致转向系统的所有节流口被迫打开，使转向系统油路上的油液通道打开．故系统中流量和压力会出现突然增加的现象。然而，当方向转角转动一定角度后稳定，由阀套、阀芯、计量马达和连杆组成的机械负反馈及复位弹簧的作用使得转向器阀套沿着阀芯转动的位置跟随转动。最终转向器在复位弹簧的作用下重新恢复中位状态。此时，系统的流量恢复为零，但由于系统中压力已经建立，故系统压力保持，因系统压力的存在，优先阀位移保持。参考文献川付永领，祁晓野．AMESim系统建模和仿真fMl．|匕京：北京航空航天大学出版社。2004．【2】金青．同轴流量放大液压转向系统动态转向特性参数化建模与仿真研究【J】．常州工学院学报，2008(4)：12一15．f3】李永堂，雷步芳，高雨茁．液压系统建模与仿真【M】．|b京：冶金工业出版社．2∞3．【41程安宁．液压仿真技术的应用与发展册．机床与液压，2004∽：9一lo．【5】荆小怀．装载机液压转向系统的数字仿真与特性分析p1．长春：吉林大学。2004．一39—42O8642O孟善R坦