基于AMESim管道参数对液压系统动态特性的影响分析

罗俊

（陕西理工大学 机械工程训练中心，陕西 汉中723003）

0 引 言

管道作为液压系统的辅件，如液压系统的血管脉络一样。在系统中，管道起到连接泵与控制阀、控制阀与执行机构的作用，且具有传递动力与信号之功能[1]。如今工程机械的液压装置趋向于大型化、复杂化、自动化，管道使用距离越来越长，如常见的液压挖掘机、起重机就是典型的实例[2]。此外，对于精密液压机械装置，虽管道长度的使用精简，但系统控制精度和整机动态性能要求极高，减小管道对系统造成的干扰，合理配置管道参数极为重要[3]。

水平连接器安装机具液压系统中的四组液压缸，如对接液压缸组、驱动液压缸组、对中液压缸组和锁紧液压缸组，它们都是分布在安装工具上的，因而其管线排布也很复杂。管线连接泵与阀件、阀与执行机构、阀与阀等，这些连接存在管线直径、长度、材料等因素的不同，因而对系统产生影响。尤其是驱动液压缸组和对接液压缸组要求较高的同步精度，即使很短的管线也会产生一定的影响，管线的长度也会带来压力损失、振动等对系统产生的影响，因此进行管道参数对液压系统动态特性的影响分析十分必要。

1 液压系统原理和仿真模型

水平连接器安装机具中对接液压缸组，是由4个双作用液压缸组成[4]，所建立的液压缸控制模块主要由4个双作用液压缸、位移传感器、质量块、粗调电磁阀、微调电磁阀、单向阀等组成，其中位移传感器能够实时地将液压缸的位移反馈到电气控制系统中，粗、微调电磁阀也是在电气控制系统的信号控制下调整阀开口大小，以实现液压缸的流量调节，具体模型如图1所示。

图1 液压缸控制模块模型

2 仿真模型参数设定

AMESim仿真包括4个过程：草图模式、子模型选定模式、仿真参数设定模式、仿真模式。在草图模式下可将所有系统模型建立，按照需要选定系统元器件的子模型，检查模型连线是否完整，然后设定子模型的参数及仿真参数，在仿真模式下，启动仿真、分析仿真结果。

水平连接器液压系统仿真主要参数有系统压力20.7 MPa；三位四通电液比例换向阀的通路流量设定为10 L/min，压降梯度0.1 MPa，额定电流40 mA，固有频率80 Hz，阻尼比0.8。液压缸参数如表1所示，其余子模型的参数选定跟具体的工况分析相关，区别设定，或选用默认值。

表1 对接液压缸基本参数

3 管道参数对液压系统动态特性的影响分析

本文将从管线的长度、直径和材料三方面因素，对水平连接器液压系统动态特性影响作仿真分析。

3.1 管线长度的影响

设定管线直径为φ25 mm，材料为钢管，管线长度分别为1 m、5 m、8 m、10 m、30 m时，分析其对对接液压缸的影响。

从图2可以看出，随着管线的长度增加，液压缸的位移达到行程的时间增长，系统响应变慢，其时间位移局部放大图见图3，可以很清晰地看出，管线从1 m到5 m、8 m、10 m、30 m，其响应时间逐渐变长，尤其是30 m管线与其他长度相比响应较慢。

图2 液压缸时间位移曲线（管长度）

图3 液压缸局部时间位移曲线（管长度）

图4所示为对接液压缸1的时间速度曲线图，从图中可以看出液压管道长度在1 m到5 m、8 m、10 m、30 m时，其速度基本上没有较大的波动，速度保持在0.032 76 m/s,从时间轴看，各个长度的管线之间略微有延迟。

图4 液压缸时间速度曲线（管长度）

3.2 管线直径的影响

在其他参数一致的情况下（钢管管线长度5 m），设定管线直径分别为φ25 mm、φ30 mm、φ40 mm、φ60 mm，仿真所得液压缸的时间位移曲线如图5所示，其局部放大图如图6所示，时间速度曲线如图7所示。从时间位移曲线和时间速度曲线来看，其响应时间随着直径增大而增长，其速度保持稳定，仍然为0.032 76 m/s。

图5 液压缸时间位移曲线（管内径）

图6 液压缸局部时间位移曲线（管内径）

图7 液压缸时间速度曲线（管内径）

3.3 管线材料的影响

液压系统中常用的液压管线可以分为两类：软管和硬管（钢管），管线的材料不同，其弹性模量不同，在保证管线的直径（2φ5 mm）和长度（5 m）一致的情况下，分别设定管道弹性模量为1000 MPa（软管）和2.06×105MPa（硬管），得到的液压缸时间位移曲线如图8所示，其局部放大图见图9、时间速度曲线见图10。从位移局部放大图可以看出，当使用软管时，系统响应性较差，位移出现了迟滞现象，液压缸的速度基本保持稳定，未出现振荡。

图8 液压缸时间位移曲线（管材料）

图9 液压缸局部时间位移曲线（管材料）

图10 液压缸时间速度曲线（管材料）

4 结 论

从仿真分析得到管道参数对水平连接器液压系统的动态特性影响，管道长度和直径的增加，会使得液压系统响应延迟，延长响应时间，速度能基本保持稳定。管道的材料不同，也会影响系统的响应，软管的弹性模量较小，造成系统响应缓慢。因此，在液压系统管道选择上，在满足系统速度、位移等要求前提下，尽可能选用直径较小的硬管。