基于AMESim全液压转向系统流量放大器特性分析

杨 英

（重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室，重庆 400054）

1 引言

采用流量放大器的全液压转向系统是大排量全液压转向器中的一支，具有结构紧凑、体积小、重量轻、转向灵敏、安装布置方便、工作可靠和系统效率高等优点，在发展大吨位的工程机械过程中，采用流量放大器的全液压转向系统所具备的这些优点是液压助力转向器和普通全液压转向器所不能比拟的。随着负载传感流量放大全液压转向器的使用范围越来越广，所以有必要对负载传感全液压转向系统静、动态特性做全面的研究，为实际应用优化提供参考[1]。国内外学者取得一定成果：文献[2]利用专门的液压仿真工具针对同轴流量放大全液压转向器进行研究；文献[3]基于OSQA型流量放大器的结构应用于工程机械解决操作困难的问题；文献[4]针对全液压转向系统进行了分析，从能量流的角度建立转向器和转向系统的动态模型；文献[5]基于数学模型分析了液压动力转向系统迅速转向时响应滞后的现象，对流量阀和管路的尺寸进行优化设计。

对流量放大全液压转向系统中的流量放大器的静态特性和动态特性进行分析。基于流量放大全液压转向系统的结构特点，对流量放大器结构和工作原理进行分析，对流量放大器静态特性进行数学分析；基于AMEsim建立仿真分析模型，对动态工作特性以及各参数变化对系统响应特性影响规律进行分析。

2 流量放大器结构特点

对于一些大型工程机械来说，全液压转向器向转向缸提供的油液流量已经远远不能满足转向的需求，因此选用一个流量放大器显得十分重要[6]。OSQB型流量放大器工作原理，如图1所示。

图1 OSQB型流量放大器Fig.1 Schematic Diagram of OSQB Flow Amplifiers

3 流量放大器动态特性

静态特性研究无法考虑主阀芯质量及油液粘度等参数对流量放大器工作特性的影响[7]，下面以方向盘从初始中位到稳定工作的过渡阶段为研究对象。

3.1 优先阀动态数学模型

忽略油道内外泄漏的影响，其入口流量恒定（全液压转向系统为常流源），可得流量连续性方程如下（设阀芯右移为正方向）[8]。

式中：PV1—优先阀左腔压力，Pa；A7—优先阀 PP 口节流孔面积，m2；

βe—油液体积弹性模量；v1—优先阀左腔容积，m3；v2—优先阀右腔容积，m3。

优先阀受力平衡方程为：

3.2 优先阀仿真模型

利用AMESim建立转向系统中优先阀的模型，如图2所示。

图2 优先阀仿真模型Fig.2 Preferred Valve Simulation Model

3.3 优先阀动态特性分析

图3 优先阀动态特性结果Fig.3 Shows the Dynamic Characteristics of the Valve

（1）方向盘转角θ斜阶跃输入时优先阀的动态响应

设pe=0，p1=14MPa时，q0=120L/min。施加斜阶跃信号：对应方向盘转速n=50r/min、70r/min。方向盘转角斜阶跃输入时，在开启的瞬间，流量会有微小的波动，随后逐渐增大直至趋于平稳。由图3（a）可以看出，方向盘转速n=50r/min时流量响应时间为0.15s。当方向盘转速增大，流量相应增大。但是节流口C1两端压差不变。

（2）转向负载P1对优先阀动态响应的影响

设 pe=0，q0=120L/min，p1=14MPa和 p1=7MPa时，θ施加一斜阶跃信号：对应方向盘转速n=50r/min。

从图3（b）可以看出，随着转向负载p1的增大，优先阀输出流量Q1响应时间变长，但系统仍然趋于稳定，且稳态值基本不变。转向器输出流量基本不变，说明了转向器开口一定时，其流量不会随着负载的改变而变化。

（3）入口流量变化对优先阀动态响应的影响

设定 pe=0，p1=14MP，q0=80L/min、120L/min 时，θ施加一斜坡信号：对应方向盘转速n=50r/min。

从图3（c）中可以看出，入口流量增大时，优先阀输出流量Q1和C1节流口两端压差基本不变。

由上述分析可以看出，当转向器负载和入口流量改变时，转向器输出流量基本不变，从而说明转向器开口一定时，其流量不会随着入口流量（主要由发动机转速决定）或者负载的改变而变化，这也证实了转向器的流量只与其开口度有关，即与方向盘的转动速度有关，而与其他因素无关，这一性能说明转向操作完全受控于操作者，保证了转向的稳定可靠性。

（4）阻尼孔A7、A8对优先阀动态响应的影响

从图3（d）可以看出，增大阻尼孔的面积会使系统响应时间变短，但是系统震荡加剧，不利于系统的稳定。

（5）弹簧刚度对优先阀动态响应的影响

由图3（e）可知，弹簧刚度增大，优先阀动态响应加快，稳定流量有所增加，但增幅很小。

3.4 流量放大器仿真模型

流量放大器（不含优先阀）的仿真模型，如图4所示。含有方向阀和流量放大阀，还集成了缓冲阀和补油阀[9-10]。仿真中通过溢流阀模型模拟转向负载，恒流源作为流量放大器L、R口控制油液。

图4 流量放大器仿真模型Fig.4 Flow-Amplifier Simulation Model

设定转向器控制油路流量20L/min，观察流量放大器输出流量曲线。从图5可以看出，流量放大器响应时间大约为0.04s。当系统稳定后，流量放大器输出流量与转向器控制流量的比值接近流量放大器的放大倍数。

图5 流量放大器输出流量曲线Fig.5 Flow Amplifier Output Flow Curve

4 结论

针对对流量放大全液压转向系统关键元件流量放大器进行分析，并利用AMESim建立动态仿真模型，通过对不同工况的分析，指出了各参数对元件性能的影响。结果可知：（1）优先阀位移逐渐减小，优先阀CF口流量仅与转向器开度有关，与负载无关；优先阀阀芯位移随着EF口负载压力pe增大而增大，优先阀CF口流量随着EF口负载压力增大而减小。（2）优先阀处于EF油路工作，CF油路不工作工况时，系统节能效果较好；当CF油路工作，而EF油路不工作时，EF油口的压力损失最大。（3）流量放大器中优先阀弹簧刚度增大，优先阀动态响应加快，稳定流量有所增加，说明弹簧刚度增大有利于提高优先阀CF口流量的稳定性；阻尼孔的面积增大会使系统响应时间变短，但是系统震荡加剧，不利于系统的稳定。