负流量控制液压挖掘机回转系统仿真及实验验证

李徳镇，张晓婷，梁仁旺

（1.中国水电基础局有限公司，天津 301700；2.重庆水利电力职业技术学院建筑工程学院，重庆 402160；3.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

为改善轮式施工设备的运行控制性能，尤其为确保轮式液压挖掘机达到更高的安全性并提升操控性，要求设置更优的轮胎保护措施，避免发生整机晃动，同时为此类工程设备构建支撑结构等［1-4］。这种支撑结构包含了4 个转动支腿，利用液压系统实现油缸伸缩过程的控制功能，统一控制转动式支腿收放过程等［5］。为保证回转控制系统能够具备理想的操控性能，需为液压系统部件设置合适的结构参数，避免引起冲击振动、液压变化和噪声的情况。如何为各部件设置合适的结构参数，使轮式液压挖掘机达到更优的回转控制状态，已成为越来越多学者关注的内容［6-8］。

黄伟男等［9］根据手柄积分控制的方式，开发了一种可以对速度位置进行闭环控制的方案。该方案通过压差和速度反馈方式实现了对目标位置的准确跟踪，提升了系统的运行稳定性并达到更高定位精度。经测试发现，采用此方法可对各个期望位置都达到高精度定位的要求。付胜杰等［10］开发了一种变转速负载敏感系统对定量泵进行高效控制，使电驱系统获得了更高的能量利用率，通过仿真测试发现，系统压差形成了和先导压力相同的变化趋势，只跟操纵阀杆位移存在关联性，并不受负载压力的影响。张树忠等［11］构建了一种不会产生节流损耗的驱动方式代替了传统复杂阀控方法，利用仿真模型测试了挖掘循环过程的系统跟踪效果及其能量利用率。

本文综合运用理论分析和AMESim 仿真的方法确定复位弹簧刚度对系统回转控制性能影响；利用AMESim 仿真测试表明与实际测试结果相符，说明理论分析和AMESim模型分析都是正确的。

1 负流量控制函数确定

本文采用固定功率柱塞液压泵作为轮式液压挖掘机的回转驱动动力源，图1 给出了该系统的具体工作原理，将此泵和负流量控制阀进行配合构建得到负流量控制系统，具体表达式如下：

图1 恒功率柱塞泵工作原理Fig.1 Working principle diagram of constant power piston pump

滑阀阀芯控制方程

式中：ps为液压泵压力；Av为滑阀阀芯端面积；pL为液压系统负载压力；f为阀芯黏性阻尼系数；xv为滑阀阀芯的位移，正方向朝右；Ks为液动力与调压弹簧刚度之和；mv为控制滑阀阀芯和弹簧质量；F0为调压弹簧预紧力。

恒功率柱塞泵的控制传递函数如图2 所示，传递函数参数设定如表1所示。

图2 恒功率柱塞泵的传递函数图Fig.2 Transfer function diagram of constant power piston pump

表1 传递函数参数表Tab.1 Transfer function parameter table

2 AMESim仿真

利用AMESim 软件测试了常规工况下的轮式挖掘机进行回转控制时的仿真结果。图3 为回转系统AMESim仿真模型。

图3 回转系统仿真模型Fig.3 Simulation model of rotary system

各项参数设定之后，将左端先导压力设定成0，右端先导压力按照图4 的方式进行设置。通过AMESim 仿真测试得到图5 所示的液压缸进口压力和流量变化曲线，调压弹簧取75 N/mm。

图4 右端先导控压力变化Fig.4 Change of pilot-controlled pressure at the right end

图5 液压缸进口压力和流量变化Fig.5 Variation of inlet pressure and flow rate of hydraulic cylinder

通过分析可知，当控制阀在换向过程中经过0.1 s 后压力迅速提高至10 MPa，之后达到稳定状态，到0.2 s 时泵出口压力进一步增大，在0.6 s 达到148 L/min 的峰值流量，后续重新降低至112 L/min的正常状态，峰值流量达到了正常值的1.3倍左右。当控制阀发生换向后0.6 s 时，液压缸达到了峰值进口压力，考虑到此时液压缸进口存在1 个具有缓冲作用的油路，因此实际峰值压力只达到1.4 倍的正常值，依然会引起明显液压冲击。

为深入分析液压冲击的关键因素，依次设定不同的阀芯复位弹簧刚度再实施AMESim 仿真测试，总共获压力和流量曲线，不同弹簧刚度的液压缸进口压力和流量变化具体情况如图6和图7所示。

图6 液压缸进口流量变化Fig.6 Variation of inlet flow of hydraulic cylinder

图7 液压缸进口压力变化Fig.7 Variation of inlet pressure of hydraulic cylinder

根据图6 和图7 可以发现，调整阀芯复位弹簧刚度后压力峰值保持基本恒定，此时压力到达峰值的时间存在较大差异，总体表现为随着复位弹簧刚度的增大，压力峰值时间也更长；随着复位弹簧刚度的增大，压力响应速度出现了变慢的情况。

对图6 液压缸进口流量曲线进行分析可以发现，在不同的复位弹簧刚度下获得了基本一致的阀出口流量最大值，但会引起控制阀换向过程形成不同的流量响应速度。

3 试验分析

为了对本文理论和AMESim 模型进行准确性验证，测试了回转系统流阻压力以及液压缸形成的压力和流量曲线。

根据本文所提的系统方案，构建负流量控制液压回转系统的37 t 挖掘机样机，如图8 所示。采用U310F 型交流永磁同步伺服电机驱动液压挖掘机运行。在液压缸的两腔两侧安装压力和流量传感器以测量其两腔的压力和流量。

图8 液压挖掘机试验图Fig.8 Hydraulic excavator test diagram

3.1 流阻压力试验分析

测试时设定以下参数：液压缸初始负载为0，以控制阀A 口作为进油口，B 口作为回油口，保持泵出口流量为120 L/min，将控制阀逐渐调节到最大的换向位置，得到图9 所示的液压缸进油口流量和压力曲线。从图9 中可以看到，在初始阶段，增加控制阀开度的过程中形成了更大的流阻压力，随着压力提高到6.23 MPa，达到了一个相对稳定状态。此时获得了6.23 MPa 的流阻压力，接近AMESim仿真测试的6.00 MPa。

图9 液压系统流阻压力曲线Fig.9 Flow resistance pressure curve of hydraulic system

3.2 液压缸压力

在测试平台上对流量特性开展以下测试：将液压缸压力设置在10 MPa，以控制阀A 口作为进油口，B 口作为回油口，保持120 L/min 的出口流量，对控制阀进行换向调节到最大开口，测试得到图10、图11中的液压缸压力和流量曲线。

如图10 和图11 显示，在控制阀发生换向的过程中，回转系统内产生了较大压力冲击作用。其中，最大压力冲击出现于0.2～0.4 s 时间段内，整个过程只持续了一段很短的时间，形成的最大冲击压力达到正常压力的近1.5 倍；经过0.4 s 换向后，液压系统才发生流量逐渐增大的现象，由此可以判断系统流量响应速度相对压力响应存在一定的滞后性，而流量增大时则没有出现明显的脉动现象，这跟AMESim仿真测试结果相符。

图10 液压缸压力特性曲线Fig.10 Pressure characteristic curve of hydraulic cylinder

图11 液压缸流量特性曲线Fig.11 Flow characteristic curve of hydraulic cylinder

4 结论

随着复位弹簧刚度的增大，压力峰值时间也更长；随着复位弹簧刚度的增大，压力响应速度出现了变慢的情况。在不同的复位弹簧刚度下获得了基本一致的阀出口流量最大值，但会引起控制阀换向过程中形成不同的流量响应速度。在初始阶段，增加控制阀开度的过程中形成了更大的流阻压力，压力到6.23 MPa 后达到稳定状态。系统流量响应速度相对压力响应存在一定的滞后性，而流量增大时则没有出现明显的脉动，与AMESim 仿真测试结果相符。