２０１３年４月 第４１卷第７期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ．２０１３ Ｖｏ１．４１ Ｎｏ．７ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１３．０７．０５１ 基于ＡＭＥＳｉｍ的某液压系统调节蓄能器仿真研究 付久长，米双山，刘鹏远，韩翠娥，张王卫 （军械工程学院，河北石家庄０５０００３） 摘要：阐述某液压系统调节蓄能器的结构及工作原理。基于ＡＭＥＳｉｍ建立调节蓄能器仿真模型，并在某液压系统油源 回路及解锁回路仿真模型上进行验证及分析。结果证明：该仿真模型可以较好地模拟调节蓄能器的工作情况；调节蓄能器 建压时间与蓄能器预充气体压力大小以及液压油空气含量成负相关，最终建压大小与调节阀弹簧完好性成正相关。 关键词：调节蓄能器；ＡＭＥＳｉｍ仿真 中圈分类号：ＴＨ１３７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１３）７—１８２—４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｏｆ ａ Ｃｅｒｔａｉｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ＦＵ Ｊｉｕｃｈａｎｇ，ＭＩ Ｓｈａｎｇｓｈａｎ，ＬＩＵ Ｐｅｎｇｙｕａｎ，ＨＡＮ Ｃｕｉｅ，ＺＨＡＮＧ Ｗａｎｇｗｅｉ （Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｗｅｒｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｖｅｒｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ；ｔｈｅ ｇａｓ ｐｒｅｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｇａｓ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆｌｕｉｄ ｈａｖｅ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ ａｃｃｕｍｕ— ｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｒｉｎｇ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ ｖａｌｖｅ ｈａｓ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ；ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 蓄能器作为液体压力能的储存和释放装置，在液 压系统中得到了广泛的运用。某液压系统调节蓄能器 是集蓄能器、单向阀、安全阀、调节阀于一体的组合 元件。该调节蓄能器在液压系统中具有保压、供油、 泄荷等功能，因此成为该液压系统正常运行的关键。 由于调节蓄能器尤其是其端盖部分结构复杂紧凑，采 用常规手段检测及研究其性能有一定的困难。使用 ＡＭＥＳｉｍ建立调节蓄能器仿真模型，为该元件的性能 研究提供了高效可行的方法。 安全阀阀芯 安全阀阀座 单向阀阀芯 调节阀滑杆 １ 调节蓄能器的结构及工作原理 该调节蓄能器为活塞式蓄能器，内部预充纯氮。 其端盖部分结构复杂，结构如图１所示。调节蓄能器 的进油口处设有单向阀，用以保证蓄能器在加压之后 不反向供油。调节阀用于调节蓄能器内的油液压力， 当未达到工作压力时，调节阀关闭，蓄能器开始建 压；当超过工作压力之后调节阀开启，齿轮泵泄荷。 如此循环，保证蓄能器的压力维持在可用的范围之 内。端盖处的安全阀，其开启压力高于调节阀的开启 压力，在液压系统出现故障导致蓄能器无法出油时， 保证蓄能器及整个油源回路的安全。 图１调节蓄能器端盖结构图 ２．１ 蓄能器蓄能装置建模 调节蓄能器主体部分为充氮活塞式蓄能器，其压 力与体积符合波尔定律 Ｐ。 ＝Ｐｌ ｎ＝Ｐ ＝Ｃ ２蓄能器模型的建立 根据调节蓄能器的结构，运用ＡＭＥＳｉｍ对调节蓄 能器每个组成部件进行建模，根据调节蓄能器实际参 式中：Ｐ 为充气压力； Ｐ．为最低工作压力； 数设置模型参数。 收稿日期：２０１２—０３—０９ 作者简介：付久长（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为液压系统仿真。Ｅ—ｍａｉｌ：ｆｕｊｉｕｃｈａｎｇ２００８＠ｌｉｖｅ．ｃｎ。 第７期 付久长等：基于ＡＭＥＳｉｍ的某液压系统调节蓄能器仿真研究 ・１８３・ Ｐ 为最高工作压力； 分别为对应于ｐ。，ｐ：时气体体积； ｎ为多方指数，因调节蓄能器在某液压系统中 充放油均在１ ｍｉｎ内进行，可以近似为绝热过程，因 此该值取１．４。 在ＡＭＥＳｉｍ中选取模型ＨＡ０００—１作为调节蓄能器 的蓄能装置，其参数如表１所示。 ， 其中：Ｐ 为蓄能器油腔压力； Ｐ，为蓄能器进油口压力； Ｄ．为滑杆最大外径； 口 为滑杆进油口端最小外径； 为溢流口直径； 为弹簧预紧力； ‘ 表１蓄能装置参数 预充气体压力／ＭＰａ 气腔体积／Ｌ 多方指数 ８ Ｋ为弹簧弹性系数； 为滑杆位移量。 当Ｆ＞０时，阀口开启，液压泵卸荷，蓄能器不 再进油；当Ｆ≤０时，阀口关闭，蓄能器进油。 利用ＡＭＥＳｉｍ建立的调节阀仿真模型如图３所示。 ８．８ １．４ ２．２调节蓄能器单向阀建模 调节蓄能器端盖单向阀为锥阀芯密封式直通单向 阀结构，忽略阀芯与阀体的摩擦力，阀芯受力为 Ｆ： 图３调节阀仿真模型 ｐ１１Ｔ筝＿— 一ｐｐ２１Ｔ ——— —一一一Ｆ—Ｋ 一１ ｘ仿真参数如表３所示。 表３调节阀仿真参数 滑杆最大外径／ｍｍ 滑阀质量／ｋｇ 滑杆进油口最小外径／ｍｍ 溢流口直径／ｒａｍ 其中：Ｐ 为单向阀进口油压； Ｐ 为单向阀出口油压； Ｄ 为单向阀进油口直径； Ｄ：为阀芯弹簧套内径； 为阀芯弹簧套外径； Ｆ１为单向阀弹簧预紧力； 为弹簧弹性系数； 为阀芯位移量。 当Ｆ＜０，阀口关闭；Ｆ≥Ｏ，阀口开启。 其ＡＭＥＳｉｍ模型如图２所示。 溢流口锥阀锥面角度／（。） 弹簧预紧力／Ｎ 弹簧弹性系数／（Ｎ・ｍｍ ） ２．４调节蓄能器安全阀建模 调节蓄能器安全阀是蓄能器及整个液压系统油源 回路的保护装置。其工作原理为：当蓄能器压力超过 ９ 调节阀调节上限时，安全阀阀芯１在液压力的作用下 推动阀座２，阀芯和阀座一起运动到一定距离后，阀 芯１停止运动，阀座２在液压力的作用下继续运动， ９ ５ｕ ５ 的 ∞ 一图２减压阀仿真模型 单向阀仿真参数如表２所示。 表２单向阀仿真参数 进油口直径／ｍｍ 阀芯锥面角度／（。） ５．５ ４５ ０．０１４ ０．９８ ０．１１６ １１ ５ 与阀芯分离，油液从蓄能器压力腔溢出，从而保证蓄 能器安全运行。其阀座受力为： 第一阶段，阀芯推动阀座向后运动 Ｄ Ｆ＝Ｐ１叮Ｔ— ＋Ｆ１＋Ｋ１ １一 一 一 ２ 阀芯质量／ｋｇ 弹簧预紧力／Ｎ 第二阶段，液压力推动阀座向后运动，开始溢流 Ｆ＝Ｐ１盯 —兰＿ ｒＤ 一Ｄ 弹簧弹性系数／（Ｎ・ｍ ） 阀芯弹簧套外径／ｍｍ 阀芯弹簧套内，￣／ｍｍ 一 一 ２ ２．３调节蓄能器调节阀建模 调节蓄能器调节阀根据蓄能器内油压调整进油口 的溢流量，从而使蓄能器油压稳定在合理范围之内。 调节阀中主要作用部件为滑杆，连接蓄能器蓄能腔、 进油口和溢流口，控制阀口的启闭。滑杆受力 其中：Ｐ 为蓄能器油压； Ｄ 为安全阀阀芯外径； Ｄ 为安全阀阀座外径； Ｄ３为安全阀阀座内径； Ｆ 为阀芯弹簧预紧力； 为阀芯弹簧弹性系数； 。为阀芯位移量； Ｄ 一（Ｄ —Ｄｉ）一ｐ２＂ｆ ＿一Ｐｌ’ 十ｐ１盯——— ——一一 １一似 ． （Ｄｉ—Ｄ；） 为阀座弹簧预紧力； 为阀座弹簧弹性系数； ・１８４・ 机床与液压 第４ｌ卷 为阀座位移量。 利用ＡＭＥＳｉｍ根据其工作机理，建立其仿真模型 如图４所示。 ‘ …． ．震 … 磊 … 图４安全阀仿真模型 其仿真参数如表４所示。 表４安全阀仿真参数 阀芯外径／ｍｍ 阀芯弹簧预紧力／Ｎ 阀芯弹簧弹性系数／（Ｎ・ｍｍ ） ８ ３ ∞Ｌ ｎ ∞ 硌 ∞阀芯质量／ｋｇ 阀芯锥面角度／（。） 阀座质量／ｋｇ 阀座外径／ｍｍ 阀座内＠／ｍｍ 阀座弹簧预紧力／Ｎ 阀座弹簧弹性系数／（Ｎ・ｍ ） ３调节蓄能器仿真分析 ３．１调节蓄能器仿真模型验证 为了更好地验证模型的正确性，按照该液压系统 实际油源回路和解锁回路建立调节蓄能器的仿真回 路。整体模型如图５所示。 图５调节蓄能器仿真回路 对仿真回路进行４０ ｓ仿真，ｔ＝０～２０ Ｓ时，换向 阀５位于中位，建立油源压力，液压泵向蓄能器充 油；ｔ＝２０～３０ ｓ时，换向阀５于左位，液压油经过 减压阀６进行减压和稳压，再经增压油缸７增压，最 后经液控单向阀８进入稳定锁９进行解锁；ｔ＝３０～ ４０ Ｓ时，换向阀位于右位，液控单向阀被反向开启， 稳定锁油腔卸荷，稳定锁闭锁。调节蓄能器油腔压力 仿真结果如图６所示。蓄能器在１５ ｓ内压力达到 １６．４２ ＭＰａ，符合该液压系统液压油源在１５～２０ Ｓ内 建压的技术要求；蓄能器油压在达到１６．４５ ＭＰａ后， 虽然液压泵仍在工作，但蓄能器压力不再上升，符合 调节蓄能器压力上限１６．５ ＭＰａ的技术要求，说明蓄 能器调节阀建模准确。稳定锁锁紧块的仿真结果如图 ７所示。三位四通阀位于左位时，稳定锁锁紧块产生 ０．２８４ ｍｍ位移，解锁成功；三位四通阀位于右位时， 稳定锁锁紧块位移回零，稳定锁闭锁。仿真结果表 明：仿真模型符合该液压系统调节蓄能器的各项技术 要求且执行动作准确，说明仿真模型能较好地对该液 压系统调节蓄能器的性能及工作进行模拟。 铝 ３∞ ｔ－＝２ ４．５ ｓ 一 ／ ｐ扣＝ｌ１５６ ｓ．４ １６ ７ ＭＰａ ｓ－Ｏ．Ｏ００ ２８４： ７】 ｎ ０ ｌ０ ２０ ３０ ４０ ｔｌｓ 图６调节蓄能器 图７稳定锁锁 油腔压力 紧块位移 ３．２调节蓄能器仿真分析 通过调节蓄能器模型的仿真，对调节蓄能器的性 能及可能发生的故障进行分析，仿真结果可为产品性 能分析及故障诊断提供依据。 ３．２．１ 预充气体压力对调节蓄能器的影响 在调节蓄能器 ｌ１８６ ４ ｒ －－， 】＝７．９５４ ９ ／／ ／一１ ｐ３ 器１＝＝ｌ６．１ ４５３ ｌ—预充气体压力４ Ｍ ２—预充气体压力６ ３—预充气体压力８ ４—预充气体压力１０ １ ６ 第７期 ｌ—３０％预紧力卜５ｏ％预紧力 ３—７０％预紧力４一ｌ０ｏ％预紧力 付久长等：基于ＡＭＥＳｉｍ的某液压系统调节蓄能器仿真研究 ｌ一３０％预紧力２—５０％预紧力 卜７０％预紧力４一ｌ００％预紧力 ３００ ， ‘１８５・ 混入量。 ：： “ 弋 … 。 ４结论 ．．！ 鼍： １０一一一一一１４ １２ ２５０ ３ １４ 一…： ’’ ～ｒ １５０ ＿ 宝－ 茸２００ ～一～～ ““ “‘ １００ ５０ ０ … ４ ２以某液压系统调节蓄能器为研究对象，通过分析 调节蓄能器组成部件的工作原理及受力情况，建立了 调节蓄能器的ＡＭＥＳｉｍ仿真模型。通过将调节蓄能器 模型放入油源及解锁液压回路进行仿真，得出以下结 论： ０ ０ １Ｏ ２０ ｔｌｓ ３０ ４０ ０ １０ ２Ｏ ｔ／ｓ ３０ ４０ 图９不同预紧力下蓄 图１０不同预紧力下锁 能器建压结果 紧块位移结果 （１）仿真验证表明：仿真模型可以较好地模拟 调节蓄能器的工作情况。 （２）仿真分析结果表明：调节蓄能器的蓄能时 由图９可知：随着弹簧疲劳失效的加深，蓄能器 所能建立起来的最终压力逐渐减小，当弹簧预紧力减 小到５０％以后，蓄能器已不再起作用。由图１０可 知：调节阀预紧力损失７０％后，稳定锁不再工作； 当预紧力损失５０％和３０％，解锁回路只能解锁而无 法闭锁，表明液压回路已无法正常工作。仿真结果表 明：调节阀弹簧预紧力大小和调节蓄能器建压的最终 值成正相关，并直接关系到液压系统能否正常工作。 ３．２．３ 液压油混入空气对调节蓄能器的影响 液压系统中液压油 １８６ 间与蓄能器预充气体压力大小及液压油空气含量成负 相关；调节蓄能器调节阀弹簧的疲劳程度决定了调节 蓄能器最终建压大小，疲劳程度越小，调节蓄能器最 终建压值越接近最高压力。 参考文献： 【１】贾铭新．液压传动与控制［Ｍ］．北京：国防工业出版社， １９９９． 【２】王红玲，逯九利，田广来．基于ＡＭＥＳｉｍ的飞机防滑刹车 系统数字仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（７）： １１７—１２０． 中空气的含量会直接影 ： 响液压油的可压缩性， １。０ 图１１显示了在液压油 【３】刘雷，阮春红．基于ＡＭＥＳｉｍ的重型车辆油气悬架振动 特性仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（５）：１０５— １０７． 【４】付永领，祁晓野．ＡＭＥＳｉｍ系统建模和仿真［Ｍ］．北京： 北京航空航天大学出版社，２００６． 【５】付奇，刘旭．矿用液压支架千斤顶泄漏原因与排除对策 分析［Ｊ］．润滑与密封，２００９，３４（９）：１２０—１２３． 【６】罗诗淋，邢普，许瑛．全液压推土机行驶驱动系统仿真研 究［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（１７）：１０５—１０７． 【７】赵广俊，吕建刚，宋彬，等．履带车辆液压储能式制动系 统制动性能仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（２１）： １３２—１３５． 【８】王超，曾发林，刘蕾．基于ＡＭＥＳｉｍ的混凝土泵车摆系统 仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１１，３９（２１）：１４２—１４４． 徐工液压件公司研发新型大吨位起重机油缸 产品可靠性的提高和轻量化是油缸发展的必然趋势。徐工液压件公司ＱＡＹ３５０系列油缸的研发，正是适应这种形 势而开发的新品。在研发过程中，液压件公司与徐工重型公司坚持“并行设计”的理念，在吸收现有产品优点的基 础上进行了全新设计。 ３５０吨系列油缸最大的特点是轻量化与结构优化，其中以伸臂油缸与变幅油缸最具代表性：伸臂油缸除继承原有 关键技术外，采用全新无焊接滑道托架形式，滑道板与缸桶间取消焊接，从而减小了焊接对材料性能及晶粒组织的影 响，消除了应力集中现象。变幅油缸采用新材料与新的密封配置型式，在轻量化方面有重要突破，质量与３００吨变幅 油缸相当。该系列的其他油缸在产品优化方面也有所突破。 ＱＡＹ３５０系列油缸的研发能够为后续４５０吨、５５０吨油缸的研发提供很好的经验积累。目前此系列油缸已经完成 设计，并且经过先期的工艺验证、评估，已具备批量生产条件。 （内容来源：中国工业报）
