基于AMESim的摊铺机负荷传感多路阀液压系统仿真

2018-03-06郑建丰李相锋

筑路机械与施工机械化 2018年1期

郑建丰，冯虎，李相锋

(徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司，江苏徐州 221004)

0 引言

摊铺机作为道路筑养护施工中的重要工程设备之一，主要用于完成道路上基层和面层各种混合材料的摊铺作业;而液压系统在摊铺机整机系统中承担着动力传递及功能执行的重要任务，其系统设计是否合理不仅对动力分配、节能降耗有直接的影响，而且对摊铺路面的成型质量起着关键的作用［1-2］。

目前，摊铺机液压系统各项功能主要通过单泵单马达组成的简单节流回路实现，存在成本高、效率低且可靠性差的特点。鉴于此，本文提出一种全新单泵多马达组成的负荷传感多路阀液压系统，并利用仿真工具对液压系统进行仿真研究。

AMESim是一种用于液压、机械、电气等多学科领域的仿真建模软件，可以为用户提供基于物理模型的图形化建模方法，被广泛应用于参数设计及系统开发的设计中。郑建丰等基于AMESim软件分别研究了液压元件的动态特性及液压系统中的参数优化设计 ;冯虎等基于AMESim软件解决了摊铺机提升液压系统吸空现象对摊铺路面影响的实际问题［5］。本文基于以上研究，针对摊铺机负荷传感多路阀液压系统的特点，利用AMESim软件对其进行仿真研究，通过与测试数据的对比，验证该系统的有效性。

1 摊铺机液压系统

摊铺机液压系统的原理如图1所示，它主要由输料系统、发电机系统和振捣系统组成。每个子系统都由相对独立的齿轮泵、控制阀组和齿轮马达构成，是最基本的液阻控制回路，简称定量泵节流阀系统FT。该系统由于液压泵的输出功率(压力和流量)和负载需求不匹配，会致使油液发热较大、系统温升过高，导致系统效率下降，造成不必要的功率损失与浪费［6-9］。图2为摊铺机FT液压系统的功率损耗分布，其中液压泵输出流量为qp，压力为Pp;负载所需流量为qf，压力为Pf。从图2中可以看出，系统的有用功率只占泵输出功率的一小部分，尤其在控制流量较小、负载压力较大时，系统功率损耗就显得非常明显。这种液压系统所组成的元器件数量较多，不仅增加了设计及维护成本，还给液压系统在整机中的布置带来一定的困难。

图1 摊铺机FT液压系统

分析摊铺机液压系统工作原理及整机工作特点可知，液压系统的工作都是相对独立的，各回路的工作压力及流量不会相互干扰，每条支路的流量都可按比例调节且不受负载压力变化的影响。针对此特点，提出一种全新的单泵多马达组成的负荷传感多路阀液压系统(LS系统)，如图3所示。

摊铺机负荷传感多路阀液压系统主要由负载敏感泵、负荷传感多路阀、输料马达、发电机驱动马达及振捣马达等组成。在工作时，负荷传感多路阀通过自身内部的梭阀对各支路负载压力进行高压信号选择，然后将此信号传递至负载敏感泵中的流量控制阀FR，FR将泵出口的压力信号与负载高压信号进行比较，判断系统流量需求变化，进而控制柱塞泵斜排动作，使柱塞泵根据系统需求输出流量;当系统中的压力升高达到负载敏感泵中压力控制阀DR设定值时，柱塞泵斜排自动回位，输出流量减小并趋近于0，以更多地降低功率损耗。当系统不工作时，泵出口流量为0，同时泵出口会保持较低的待命压力，以减小系统能量损耗并提高系统响应性。由于负荷传感多路阀每条支路内部都会集成定压差阀，这样就可以避免各条支路工作压力及流量的相互干扰，且每条支路的流量调节也不会受负载压力变化的影响。图4为摊铺机LS液压系统功率损耗分布。从图4中可以看出，系统的功率损耗为负荷传感多路阀中的定压差阀引起的节流损失，而无溢流损失，且该损失只占系统总功率的很小一部分，所以摊铺机LS液压系统可以起到节能降耗、提高工作效率的作用。

图2 摊铺机FT液压系统功率损耗

2 液压系统的模型建立

根据摊铺机负荷传感多路阀液压系统的工作原理，利用 AMESim仿真软件中的 HCD、Signal、Hydraulic、Mechanical元件库模块按照实际的元器件物理结构搭建系统仿真模型，如图5所示。

系统模型主要由负载敏感泵部件模型、负荷传感多路阀LS部件模型及用于负载驱动的执行装置等组成。其中负载敏感泵部件模型主要用于体现泵的流量调节特性、压力调节特性和系统响应特性;负荷传感多路阀LS部件模型主要用于体现各条支路压力信号选择特性、定压差特性和换向比例特性;负载驱动装置模型主要用于模拟实际负载特性［10-12］。根据液压元件的特性设置仿真模型参数，如表1所示［12-15］。

图4 摊铺机LS液压系统功率损耗

3 液压系统的仿真分析

表1 仿真模型参数

设置仿真运行条件:柴油机额定转速为2 000 r·min－1，分动箱传动比为 0.85;液压油密度为 850 kg·m－3，体积弹性模量为17 000 bar;仿真时间为10 s，采样时间为 0.1 s。

首先，验证系统模型建立的正确性，对发电机驱动马达系统的负荷传感多路阀给定输入信号0.95。图6为发电机驱动马达转速的仿真曲线，图7为发电机驱动马达入口的压力仿真曲线。从图中可以看出，由于马达驱动发电机的负载惯性较大，在给定阶跃输入信号时，系统的压力冲击较大，且存在启动瞬时转速超调的现象。与实测曲线图8、9相对比，仿真结果与实测数据较吻合。

然后，针对摊铺机负荷传感多路阀液压系统的特点，对系统以下特性进行仿真分析。

图5 摊铺机LS液压系统仿真模型

图6 发电机驱动马达转速仿真曲线

图7 发电机驱动马达压力仿真曲线

图8 发电机驱动马达转速实测曲线

图9 发电机驱动马达压力实测曲线

(1)系统复合动作的抗干扰特性。设定振捣马达运行时间从2 s开始，对负荷传感多路阀给定输入信号1;输料马达运行时间从4 s开始，对负荷传感多路阀给定输入信号0.8;发电机驱动马达运行从6 s开始，对负荷传感多路阀给定输入信号0.95。图10为振捣马达转速仿真曲线，图11为泵输出与马达输入流量对比。可以看出:在3个马达先后动作的过程中，振捣马达转速较为平稳，几乎不受其他系统负载的影响，抗干扰特性较好;而且泵输出的流量总随系统所需流量的多少而改变，并无多余流量浪费。这再次证明了摊铺机负荷传感多路阀液压系统可以起到节能降耗、提高工作效率的作用。(2)系统无动作时泵的中位特性。将负荷传感多路阀的所有给定输入信号设定为0，使系统马达无动作运行。图12、13为泵出口的流量及压力仿真曲线。可以看出，当系统不工作时，泵出口流量为0，同时泵出口会保持较低的待命压力(约25 bar)，以减小系统能量损耗并提高系统响应性。