基于AMESim的液压马达加载系统研究

周 凯，刘 敏

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

1 液压马达的特性

液压马达作为液压系统的执行元件之一，将液压系统的压力能转化为转速扭矩等机械能[1]，在工程运输车辆、挖掘机等装备中广泛应用。传统的液压马达加载系统耗能大、操作不便，因此对液压马达加载系统进行建模和仿真分析，研究液压马达的功率回收性能和可控性具有重要的意义。

2 液压马达加载系统

2.1 主回路设计

主回路系加载系统动力源，主要为液压马达加载系统提供动力，同时控制被试马达的压力、转速等特性参数。

液压泵的吸油和压油口分别配有吸油过滤器和高压过滤器，回路的最高压力由比例溢流阀调定。轴向柱塞变量泵与比例节流阀组成容积调速回路，对被试马达的转速进行调节，并通过换向阀进行普通状态和调速状态两种工作模式的切换。通过控制两组液控单向阀通断来控制油液的流向，从而控制加载系统液压马达的转动方向，主回路配置由阀块和滤网组成的COIN过滤器对回油进行过滤[2]。

2.2 控制回路设计

控制回路用于控制四个液控单向阀的开闭从而实现对主回路的控制，同时控制回路的泵也作为补油泵，有加载和压力补偿功能[3]。

由于液压阀控制回路的特性，补油回路安全阀设置压力为7 MPa，使用一个排量较小的齿轮泵进行工作。由于用一个液压泵为三组控制回路进行供油，为了防止三组控制回路之间的窜压，电磁换向阀的压力口集成了单向阀。

由于控制回路的工作压力、工作流量较小，所以选用了齿轮泵为控制回路提供动力油。吸油过滤器和高压过滤器配有堵塞报警发讯器，溢流阀选用直动型。

控制回路由单独的电机和油泵输出控制液压油，对主回路各个阀进行单独控制，通过对第一组液控单向阀进行控制，可以切换主回路油液的流通方向，从而控制加载系统中液压马达的转动方向，由于两液控单向阀不同时工作，所以只用一个电磁换向阀控制可实现此功能。

2.3 能量回收回路设计

在主回路的回油路上配置了一个由阀块和滤网自制粗过滤器（CION过滤器），由于COIN过滤器在使用过程中需要经常拆卸更换滤网，过滤器下方的积油盘会有大量的油液。为了将积油盘中的油液进行回收利用，设计液压回收回路，利用一个小排量齿轮泵进行油液回收，为了将回收的液压能再转化为电能，设计发电回路，用变频发电机与被试马达相连，通过变频发电机，使被试马达在试验的同时回馈能量，实现功率回收；通过改变变频发电机的磁通量或电枢电流对被试马达进行加载，实现试验目的。其原理图如图1所示。

发电回收部分中被试马达与变频发电机的连接，主要有联轴器、传感器、刹车片组成。联轴器完成各部分的连接，传感器用于检测试验过程中的各项数据，刹车片用于电机的紧急停止。

3 基于A M ESim-Simulink联合仿真

3.1 仿真模型的构建

AMESim（Advanced Modeling Environment for Simulations ofengineering system）系统工程高级建模和仿真平台是一款涉及液压、控制、电气、传热学等多方面的仿真软件。该软件的主要工作模式为：整体系统的原理建模；系统子模型的选择；参数的设置；系统的仿真运行。

液压部分由AMESim中的模型库搭建，其中包括驱动马达的主回路和控制马达转速方向的控制回路，主回路驱动马达转动，控制回路通过信号的变化来改变马达的转向。

控制部分由AMESim搭建比例阀、变量活塞、斜盘，以及Simulink搭建的PID控制器组成，通过PID控制器，实现对比例阀的控制；通过比例阀信号大小控制油缸行程，以液压缸位移作为反馈，经过转换函数控制泵的输出排量。

功率回收部分由AMESim搭建带整流逆变器的变频发电机。功率回收回路可以设置发电机发电电压，并通过PID控制器进行调节。

搭建的AMESim仿真模型如图2所示。

Simulink中提供了一个用方块图构建模型的工作界面，用户无需写大量复杂的代码就可以对系统进行建模、仿真、测试、分析，使仿真过程更加直观便捷。由于Simulink可以很便捷的创建并修改维护一个系统，所以大大提高了科研的效率，搭建的Simulink仿真模型如图3所示，通过程序对PID参数进行设定，模拟输入信号有阶跃和方波两种，在两种控制信号的作用下可以得到液压马达加载系统输出的特性曲线。

3.2 系统运行仿真研究

在仿真模型中设置马达排量为45 mL/r，设置马达的转速为最大排量下额定转速3 900 r/min。分别设置加载扭矩为50 N·m、100 N·m、150 N·m和 200 N·m，调定 PID参数，得到仿真曲线。改变马达排量为9.5 mL/r，设置马达转速为最小排量下额定转速4 500 r/min，分别设置加载扭矩为10 N·m、20 N·m、30 N·m和 4 0N·m，重新调定 PID参数，设置加载间隔为2.5 s，仿真总时间为10 s，得到系统在马达最大排量和最小排量下的马达压力仿真曲线。

在马达启动时，由于负载信号为阶跃形式，所以系统压力存在较小的波动，并在短时间内迅速恢复平稳状态。系统的负载越大，系统压力越大，在两种不同扭矩改变的瞬间，系统压力也存在一定的瞬时波动，波动在允许误差范围内。马达在最大排量和最小排量时，压力仿真曲线具有相同的走向趋势，符合液压马达的理论性质。

同样可以得到加载系统在马达最大排量和最小排量下的马达流量仿真曲线。马达在最大排量时，流量在负载变化时刻发生瞬时波动，并在短时间内迅速恢复平稳状态，波动在允许误差范围内。马达在最小排量时，流量基本保持稳定，几乎没有瞬时波动。马达在最大排量和最小排量时，流量仿真曲线具有相同的走向趋势，符合液压马达的理论性质。

如图6所示马达在最大排量时，转速在负载变化时发生瞬时波动，并在短时间内迅速恢复到平稳状态，额定转速为3 900 r/min，波动在允许误差范围内。马达在最小排量时转速波动很小，额定转速为4 500 r/min。

根据马达的压力、流量、转速等仿真参数，本文所设计的功率回收型马达试验台可以完成基本的马达加载试验功能，液压系统部分设计合理。

4 结论

（1）设计了液压马达加载系统的主回路、控制回路和能量回收回路，并阐明了各回路的工作原理；

（2）搭建了液压马达加载系统的AMEsim与Simulink联合仿真模型，并开展了液压马达加载系统恒转速仿真分析，得到了回收效率曲线。