某特种车辆液压调平系统双向液压锁动态性能仿真研究

2013-03-16周大星瞿军吕小勇

机床与液压 2013年3期

周大星，瞿军，吕小勇

(1.海军航空工程学院研究生管理大队，山东烟台264001;2.海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001)

双向液压锁广泛应用于工程、运输、起重等机械中的油缸保压回路，能够在支腿伸出后进行油路锁定，避免发生意外情况时支脚失去控制而造成事故[1－2]。在某特种车辆中，其作用是可靠锁定调平油缸工作位置，保证车体的精确调平和保持精度。因此，深入研究双向液压锁的结构原理，分析影响其动态特性的主要因素，有利于该装置的正确使用和性能维护，确保调平系统的可靠使用。

作者利用AMESim软件建立起双向液压锁仿真模型[3－4]，对影响调平系统性能的参数:控制阀芯质量值和阻尼值、单向阀阀芯质量值和弹簧刚度值等进行了仿真，从对液压缸伸出时间和压力流量平稳性的分析中，得到影响双向液压锁动态特性的主要因素。研究并划分了液压锁故障状态，通过仿真分析，得出了故障状态临界参数。

1 双向液压锁建模

1.1 双向液压锁结构原理

双向液压锁由两个液控单向阀共用一个阀体和控制阀芯组成。液控单向阀在两端，中间有一个控制阀芯。如图1所示。

图1 双向液压锁结构

当压力油从A腔进入时，依靠油压自动将左边的液控单向阀阀芯顶开，使油液从A 流腔向A1腔。同时，通过控制阀芯把右边的液控单向阀顶开，将原来封闭在B1腔中的油液，通过B腔排出。同理，当B 油腔进油时，A 油腔就反向出油。当A、B 两腔都没有压力油时，A1腔与B1腔的反向油液依靠液控单向阀阀芯的锥面与阀体的严密接触而封闭。此时，执行元件被双向锁定[5]。

1.2 仿真模型建立[6－7]

根据双向液压锁的功能，针对一个调平油缸建立“锁－缸”执行回路，从而通过液压缸的响应特性分析液压锁的动态特性。具体建模过程有以下几个步骤:

(1)进入AMESim软件的草图模式，在Hydraulic元件库中选取相应的液压泵、液压缸和换向阀元件，构建如图2所示的仿真模型。利用HCD 库中的基本元件来构建双向液压锁模型，这样能够准确仿真其内部结构，便于深入分析影响动态特性的主要因素。

图2 双向液压锁仿真模型

(2)在子模型模式下，根据各个元件的实际类型来选取对应元件的子模型。重点选择双向液压锁的子模型种类，其他元件均选用AMESim 默认子模型。

(3)在参数模式下为各个元件设置参数。主要参数设置如表1，其他参数设置为默认值。

表1 主要参数

(4)在运行模式下，设置运行参数:仿真时间30 s，采样时间0.1 s，仿真模式为动态。

2 仿真分析

为了研究不同参数下双向液压锁的动态特性，分别对可能影响其性能的参数:控制阀芯质量值和阻尼值、单向阀阀芯质量值和弹簧刚度值进行仿真分析。

2.1 控制阀芯参数仿真分析

通过改变控制阀芯质量值，仿真得到控制阀芯不同质量下的液压缸伸出时间曲线，如图3所示;液压缸压力和流量曲线如图4所示。

图3 控制阀芯不同质量下的液压缸伸出时间

图4 控制阀芯不同质量液压缸压力和流量标准差

改变控制阀芯阻尼值，仿真得到控制阀芯不同阻尼下的液压缸伸出时间曲线如图5所示，控制阀芯不同质量液压缸压力曲线如图6所示，液压缸流量曲线如图7所示。

图5 控制阀芯不同阻尼下的液压缸伸出时间

图6 控制阀芯不同阻尼下的液压缸压力

图7 控制阀芯不同阻尼下的液压缸流量

由图3可以看出:液压缸的伸出时间基本在27.9～28.2 s 之间，变化不大。当控制阀芯质量低于0.2 kg时，液压缸的伸出时间基本呈增长趋势，从27.9 s 增长到28.2 s;当控制阀芯质量高于1 kg时，基本保持在28.1 s，波动很小，表明控制阀芯质量对液压缸的伸出时间影响不大。

由图4可以看到:控制阀芯质量为0.4 kg时，压力标准差约为14.57，而阀芯质量为1.6 kg时，压力标准差增加到15.83，总体呈上升趋势，但是增长幅度不大;液压缸工作流量的标准差先是由7.30 降低到6.58，然后又上升到7.95，变化也不大。这说明控制阀芯质量对液压缸的工作压力和流量影响较小。

由图5可以看出:其他条件不变情况下，液压缸的伸出时间随双向液压锁控制阀芯阻尼增大而显著增大，并且在控制阀芯阻尼为1 000～6 000 N/ (m/s)之间近似线性增长，从约28.3 s 迅速增至约37.3 s。

由图6可发现:在控制阀芯阻尼在1 000～6 000 N/ (m/s)之间，液压缸的平均工作压力变化不大，基本在7.5 MPa 左右，而工作压力标准差基本在20左右，波动不大。

由图7可发现:液压缸的平均工作流量在控制阀芯阻尼为200～6 000 N/ (m/s)之间近似线性下降，同时，液压缸的工作流量标准差近似线性增长，速度稳定性变差。

2.2 单向阀阀芯参数仿真分析

通过改变单向阀阀芯质量值，仿真得到控制阀芯不同质量下的液压缸工作曲线，如图8所示。改变单向阀阀芯弹簧刚度值，仿真得到单向阀阀芯不同弹簧刚度下的液压缸伸出时间曲线如图9所示;液压缸压力曲线如图10所示;液压缸流量曲线如图11所示。

图8 单向阀阀芯不同质量下的液压缸伸出时间

图9 单向阀阀芯不同弹簧刚度下的液压缸伸出时间

图10 单向阀阀芯不同弹簧刚度下的液压缸压力

图11 单向阀阀芯不同弹簧刚度下的液压缸流量

由图8可以看出:随着单向阀阀芯质量的增加，液压缸的伸出时间总体上呈增长趋势，阀芯质量为0.02 kg时，液压缸伸出时间最小，为28 s;阀芯质量为1.2 kg时，液压缸伸出时间最大，为30.4 s。

由图9可以看出:其他条件不变，在单向阀弹簧刚度小于320 N/mm时，液压缸伸出时间基本在28 s左右;而在320～600 N/mm时，液压缸伸出时间随弹簧刚度增大呈近似线性增大，并且增长迅速。说明弹簧刚度对液压缸性能的影响比较大。

由图10看出:在弹簧刚度小于320 N/mm时，液压缸平均工作压力有所上升，而在大于320 N/mm时变化较小。液压缸工作压力标准差在弹簧刚度小于320 N/mm时略有下降，在大于320 N/mm时基本保持在5 左右。

由图11可以看出:液压缸工作流量随弹簧刚度增加变化比较剧烈，整体上呈下降趋势，但是液压缸流量标准差随弹簧刚度变化不大，表明液压缸的伸出速度比较稳定。

2.3 双向液压锁故障仿真分析

2.3.1 故障状态划分

某特种车辆对调平性能要求为:调平精度纵向误差不大于±1.9°，横向误差不大于±1.9°;调平时间为(30 ±2)s。而调平液压缸的安装参数为:横向约5.5 m，纵向约2.4 m。假设理想情况下，地面已经水平，4个液压缸同时伸出到设计行程就能保证精确调平。但是一旦有液压缸异常工作，其伸出长度可能会达不到设计行程。因而定义调平液压缸的伸出长度误差为:在满足调平性能前提下，异常工作液压缸伸出长度小于设计行程的最大值。根据调平系统结构和安装参数可求得其值为0.08 m。

在实际使用中，液压锁常见故障为阀芯卡住、弹簧断裂、泄漏孔堵塞等[8]。这些故障均会导致工作时间的增大或者液压缸的伸出长度不够。因此设定某特种车辆的调平故障为在规定最大时间(32 s)内不能到达设计行程(0.8 m)。另外，液压缸存在缓冲和排气装置，实际中并不能完全伸长到设计行程，所以允许有不超过2%的误差(即液压缸伸出长度达到0.78 m 就视为调平到位)。

基于以上要求和设定，按照故障严酷等级将双向液压锁故障状态划分为:

无故障。液压缸伸出长度误差小于0.02 m;

轻微故障。液压缸伸出长度误差为0.02～0.08 m;

严重故障。液压缸伸出长度误差大于0.08 m。

2.3.2 双向液压锁故障仿真与分析

首先选择一组状态优良的双向液压锁性能参数作为标准参数，其具体设置如表2。设此时调平系统状态为正常状态，以阀芯卡住故障为例，通过调整不同的双向液压锁参数模拟故障，对导致轻微故障和严重故障的临界参数值进行仿真分析。