船用多执行器负载敏感系统仿真

骆海民，谢可希，肖 清

(1．海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室，上海200913;2．中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

船用驱动系统由于负载较大、工况恶劣、可靠性要求高等原因，常采用液压驱动的方式。某船用液压系统为满足多执行器的驱动要求及简化系统控制起见，采用了定量泵+蓄能器组成的定压系统。该系统长时间运行表明，其工作稳定可靠，可满足驱动要求。但在运行过程中常出现冲击振动噪声较大等现象，经分析是因工作中负载变化大，在定压系统中易导致主阀进出口压差过大，从而引起液压冲击振动，这一因素也可导致系统的能耗增大。

负载敏感系统由于能自动地将负载所需压力或流量的信号反馈给负载敏感阀或泵变量机构，使其压力发生变化，从而调整供油单元的运行状态。因其仅向系统提供负载所需的压力或流量，因而可最大限度地减少功率损失［1－4］，同时主阀进出口的压差也可减小，从而降低过大压差带来的冲击振动。

因此拟对原液压系统进行改进，采用负载敏感的控制方式，在满足多执行器驱动的前提下，降低液压冲击和能耗。

本文利用高级工程系统仿真环境软件平台AMESim 对改进前后的系统进行建模仿真，并对比改进前后的效果。

1 船用多执行器液压系统

1.1 系统原理

本文研究的某船用多执行器液压系统原理如图1所示。

系统包括2 个液压缸及相对应的主阀、安全阀，采用定量泵和大容量蓄能器为油源。工作时先由蓄能器供油，当蓄能器压力降低至设定的下限值时，定量泵启动，给负载供油和蓄能器充油。当压力上升到设定的上限值时，定量泵停止，再由蓄能器供油，如此往复工作。

在这种工作模式中，由于控制定量泵启动/停止的设定压力下限值和上限值相差不大，系统可近似认为定压系统。为保证执行器驱动的需要，系统的压力须满足最大负载的要求，但由于负载在运行过程中的波动较大，因而在很多工况下供油压力远大于负载压力，导致主阀压损过大和能量浪费，并带来液压冲击振动。

1.2 仿真模型及参数

AMESim 是IMAGINE 公司于1995年推出的高级工程系统仿真环境软件平台，为流体动力、机械和控制系统等提供了完善、优越的仿真环境［5］，可广泛用于液压系统的仿真。图2所示为利用AMESim软件平台建立的该系统仿真模型，模型主要元件的参数如表1所示。其中执行器、主阀、蓄能器、安全阀及定量泵等模型分别选择液压库中的对应元件。采用变步长仿真，误差1 ×10－7，仿真时间30 s。

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

表1 主要元件参数Tab.1 Parameters of main components

1.3 仿真结果

图3所示为1 个工作循环(活塞从液缸底部运动至末端，再回到底部为1 个工作循环)左执行器主阀进出口(活塞伸出时为P－A，活塞缩回时为P－B)的压差。由图可以看到，主阀进出口的压差均大于40 bar，且随负载的波动变化很大。

图3 压差波动图Fig.3 Fluctuation curve of pressure difference

图4所示为1 个工作循环中负载所需功率与油源提供功率的对比，可见该系统存在较大的能量浪费。

图4 负载功率与油源功率对比Fig.4 Comparison of load power and oil supply power

2 多执行器负载敏感系统仿真

2.1 系统原理

为降低液压冲击和能耗，对原系统进行了改进，设计了如图5所示的采用负载敏感的液压系统，并采用压力补偿器进行分流流量控制。梭阀链将各执行器之间的最高负载压力反馈到变量泵的变量机构，使泵的输出压力比该压力略高，以保证最高负载回路的驱动需要，当负载波动时，泵的输出压力随之变化。各执行器主阀进出口的压差由压力补偿器调节为给定值，通过对节流口开口面积的调节，就可以控制流过节流口的流量，从而使执行器的运动不受负载波动的影响，完全可控。

图5 改进后的液压系统原理Fig.5 Schematic of the improved hydraulic system

2.2 仿真模型

在AMESim 软件平台中建立改进后的液压系统仿真模型，如图6(a)所示;压力补偿器经过封装，其模型见图6(b)。

压力补偿器的工作原理如下:

式中:p1和p2为压力补偿器进出口压力;Ax为作用面积;kx为弹簧刚度;x0和x 为弹簧预压缩量和压缩量;Fs为液动力。

按式(1)，利用AMESim 的HCD 库建立压力补偿器的模型。主要元器件的参数与表1 相同，压力补偿器的补偿压差为1.4 MPa。

图6 改进后液压系统仿真模型Fig.6 Simulation model of the improved hydraulic system

2.3 仿真结果

图7所示为1 个工作循环左执行器主阀进出口的压差。由图可以看到，与改进前相比，由于采用了负载敏感与压力补偿，主阀进出口的压差较小，且随负载的波动很小，可有效减小液压冲击。

图7 压差波动图Fig.7 Fluctuation curve of pressure difference

图8 为1 个工作循环中负载所需功率与油源提供功率的对比，可见采用负载敏感后所需功率与提供功率匹配较好。

图8 负载功率与油源功率对比Fig.8 Comparison of load power and oil supply power

3 结 语

1)为降低船用多执行器液压系统的压力冲击和能耗，采用负载敏感技术对系统进行了改进设计。

2)利用AMESim 软件分别建立了原液压系统和改进后液压系统的仿真模型，仿真结果表明，与原系统相比，由于采用了负载敏感和压力补偿，改进后的液压系统主阀进出口的压差大幅降低，且波动较小，有利于降低液压冲击;油源提供的功率与负载功率匹配较好，可有效减少系统能耗。

［1］胡燕平，吴根茂，魏建华．两种负载敏感控制系统特性研究［J］．浙江大学学报，1998(S):30－34．

HU Yan-ping，WU Gen-mao，WEI Jian-hua．Research on characteristics of two kinds of load sensing control systems［J］．Journal of Zhejiang University，1998(S):30－34．

［2］顾临怡，谢英俊．多执行器负载敏感系统的分流控制发展综述［J］．机床与液压，2001(3):3－6．

GU Lin-yi，XIE Ying-jun．Summarization on the development of flow division control of multi-actuators load sensing system［J］．Machine Tool ＆ Hydraulics，2001(3):3－6．

［3］吴根茂，王庆丰，魏建华，等．新编实用电液比例技术［M］．杭州:浙江大学出版社，2007．

WU Gen-mao，WANG Qing-feng，WEI Jian-hua，et al．Electrohydraulic proportional technique in theory and application［M］．Hangzhou:Zhejiang University press，2007．

［4］权龙．工程机械多执行器电液控制技术研究现状及最新进展［J］．液压气动与密封，2010(1):40－46．

QUAN Long．The present status and latest progress of electro-hydraulic control technology of multi-actuators used in construction machinery［J］．Hydraulics Pneumatics ＆Seals，2010(1):40－46．

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

FU Yong-ling，QI Xiao-ye．AMESim system modeling and simulation-from beginning to master［M］．Beijing:BUAA Press，2006．