负载敏感变量泵的动态特性研究

王瑜

摘 要：本文根据负载敏感变量泵的工作原理分析其动态特性的影响因素，利用AMESim建立了负载敏感液压系统的模型，进行仿真研究。研究表明，负载敏感阀的弹簧刚度、阀芯直径和变量活塞的弹簧刚度、阀芯直径对负载敏感变量泵的动态响应起着重要作用。对理解、使用和设计负载敏感泵都有一定的参考价值。

关键词：液压技术;负载敏感技术;负载敏感变量泵系统;AMESim仿真

液压传动具有无级变速、传动环节少、操作简单、对外界载荷适应能力强和易于实现自动化控制等优点，被广泛地应用。但液压传动能量损失大，效率低，是其系统的一大缺陷。[1]

为了解决此问题，人们提出许多解决方法，负载敏感技术就是其中之一。负载敏感技术是指系统能够按照负载的需求来控制泵输出压力与流量，使液压系统效率提高，增加其使用寿命。[2]负载敏感技术有阀控与泵控两种，泵控负载敏感系统主要依靠负载敏感变量泵完成相应工作，本文主要分析该泵的工作原理与动态特性的影响因素。

1 负载敏感变量泵工作原理

负载敏感变量泵的工作原理如图1所示，由变量泵、负载敏感阀、恒压阀和变量活塞等组成。负载敏感变量泵根据负载所需的压力 P L 调节恒压阀与负载敏感阀的阀芯的位移，使变量活塞受力发生变化，进而改变泵的排量，实现泵的输出压力 P P 、输出流量与负载的压力 P L 、流量相匹配。

负载敏感变量泵中的恒压阀2控制优先级高于负载敏感阀1的控制优先级。负载敏感变量泵有三种状态：待机状态、正常工作状态和过载状态。

（1）待机状态，节流阀5处于关闭状态。负载敏感阀1和恒压阀2的阀芯在弹簧作用下处于左位，变量泵4的出口压力油进入变量活塞3的两腔，推动变量活塞3，从而减小泵斜盘倾角，使得泵的排量减小到最小值，泵出口压力 P P 降到与负载敏感阀1中调整弹簧预紧力相等的值。变量泵输出一定的流量，用于补偿泵自身的内泄漏。

（2）正常工作时。启动负载敏感变量泵，变量泵4提供压力 P P 小于负载所需压力 P L ，负载敏感阀1的阀芯右移，阀口开度逐渐增大，变量活塞3右侧的油液流回油箱，变量泵4的斜盘倾角变大，从而排量增大。

当泵完全启动后，泵的出口压力及流量会随着负载的变化而变化。负载 P L 稳定时，负载敏感阀1受力平衡时，方程为：

式中：A——负载敏感阀的弹簧腔压力油作用面积， F  s ——弹簧预紧力。

当 P L 减小， Δ P>F  s /A ，负载敏感阀1的弹簧作用力产生的压力大于负载压力，从而推动负载敏感阀1的阀芯向左移动，阀口开度减小，变量活塞3右侧流回油箱的油液减少，压力逐渐增大，从而使斜盘倾角减小，泵出口压力与排量减小，直到负载所需求的压力。当 P L 增大，与上诉过程相反，泵出口压力与排量增大。

（3）过载状态。当负载过大时，负载敏感阀1无法开启，恒压阀2发挥作用。恒压阀2阀芯向左运动，油液通过恒压阀2的左位进入变量缸3的右侧，使泵的流量减小到仅能维持系统的压力。

工程机械的负载多变，这就要求负载敏感系统动态响应时稳定性强、响应速度快和响应准确。负载敏感变量泵是负载敏感系统中的一个重要部分，其动态特性关系到整个系统的性能。经上述分析可知，泵出口压力与流量的大小主要由斜盘倾角控制，斜盘倾角的变化直接由变量活塞控制，间接的由负载敏感阀和恒压阀的阀芯位置控制。但恒压阀仅在过载状态下工作，对负载敏感变量泵的正常工作的响应无影响，所以仅需考虑负载敏感阀与变量活塞相关因素对负载敏感变量泵动态特性的影响。

根据公式（1）和（2），负载敏感阀的弹簧预紧力决定泵出口压力与负载压力的差值，本文在确定其压差值后，不予考虑负载敏感弹簧阀的预紧力这一因素。那么，可考虑因素有负载敏感阀与变量活塞的结构参数，负载敏感阀弹簧刚度及其阀芯面积，变量活塞弹簧刚度与其直径。下面将利用负载变量泵的模型研究这些参数对其动态特性的影响。

2 负载敏感变量泵的AMESim建模

基于AMESim中液压元件设计库（HCD库）搭建负载敏感系统，[3]仿真模型如图2所示。定量泵的排量为30mL/r，发动机转速为1900r/min，节流阀的阀芯开口为8mm，负载敏感阀的弹簧预紧力为90.5N，压力油作用面积为50.3mm 2 ，用压力信号模型

6模拟负载。仿真时间设定为2s，液压管路损失不计。

3 系统仿真分析

本文的仿真分析主要研究各元件结构参数对负载敏感变量泵动态响应的影响，因此，在仿真时，主要对其正常工作状态研究即可。负载敏感变量泵的动态特性可通过其泵出口压力与流量反映，因为负载所需的流量对泵出口压力具有干扰，且泵斜盘角度直接影响出口流量，流量的大小直接影响执行元件的动作，因此本文主要通过观测泵的出口流量进行研究分析。给模拟负载系统6一个方波信号，分析各影响因素对负载敏感变量泵响应特性的影响，仿真结果如下。

当负载敏感阀的弹簧刚度不同时，可以得到图3所示的一组泵的出口流量响应曲线。图3中从1到3，弹簧刚度依次是5N/mm、10N/mm、15N/mm。由图3中可以看出，随着弹簧刚度的增大，系统的响应稍慢，但超调量逐渐变小。

当负载敏感阀阀芯面积不同时，对泵输出动态特性的影响如图4所示，图中1到3阀芯直径依次是6mm、8mm、10mm。由图4可知，随着阀芯直径的增加，系统的响应时间有所增加，超调量增大，稳态误差也有所增加。

变量活塞弹簧刚度不同时，得到图5所示的一组泵输出流量响应曲线。图5中从1到3，弹簧刚度依次是25N/mm、30N/mm、35N/mm。由图5可以看出，随着弹簧刚度的增大，泵的响应时间越来越长，泵的出口流量相应减小，但振荡次数减少，稳态误差减小，因此变量活塞弹簧刚度对泵的响应特性影响较大。

当变量活塞阀芯作用面积不同时，可以得到圖6所示的一组泵的出口流量响应曲线。图6中从1到3，油缸阀芯直径依次是6mm、8mm、10mm。由图6中可以看出，随着阀芯直径的增大，泵的响应时间无变化，超调量减小，振荡次数减少，因此变量活塞阀芯作用面积尽可能大些。

4 结论

本文根据负载敏感变量泵的原理，分析出负载敏感泵响应特性的影响因素，建立负载敏感变量泵的AMESim模型，仿真出各因素对响应特性的具体影响。

（1）负载敏感阀弹簧刚度越大，系统的响应变慢，超调量减小。

（2）负载敏感阀阀芯直径越大系统的响应越慢，超调量越大，稳态误差也有所增加。

（3）变量活塞的弹簧刚度增大，泵的响应时间越长，泵的出口流量相应减小，但振荡次数减少，稳态误差减小，选择合适的弹簧刚度很重要。

（4）变量活塞的阀芯直径随着越大，泵的响应时间不变，超调量减小，振荡次数减少，因此变量活塞阀芯作用面积尽可能大些。

参考文献：

[1]张奕.液压传动与气压传动[M].北京：电子工业出版社，2011.1.

[2]黄新年，张长生，陈忠强.负载敏感技术在液压系统中的应用[J].流体传动与控制，2007.9：28-30.

[3]付永领，祁晓野.LMS Imagine Lab AMESim系统建模和仿真参考手册[M].北京航空航天大学出版社，2011.