基于AMESim的轮式装载机全液压驱动系统建模与分析

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2013年第lO期 液压与气动 105DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2013．10．028基于 AMESim的轮式装载机全液压驱动系统建模与分析杨 勇。罗艳蕾，康理茂Modeling and Analysis of Full Hydraulic Loader Based on AMESimYANG Yong，LUO Yan—lei，KANG Li—iTlao(贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)摘 要：对比介绍了传统型负载敏感系统和电液流量匹配控制系统的各 自特点。为了提高轮式装载机的节能性和整体控制性能，采用了基于电控闭环反馈对电比例泵和主控阀实行同步控制的电液流量匹配控制系统。同时，利用模块建模的方法将传统意义上的机液行走机构改换为全液压行走驱动。省去含液力变矩器和变速器构成的“双变”系统，简化了底盘结构，提高了整机的灵活性。建立了基于AMESim的轮式装载机全液压驱动仿真模型，为电液流量匹配控制系统在轮式全液压驱动装载机上的设计和应用提供了参考。

关键词：轮式装载机；负载敏感；电液流量匹配；全液压驱动；AMESim建模中图分类号：TH137．7 文献标志码：B 文章编号：10004858(2013)10-0105-05引言基于履带式装载机承载能力强、载荷分布均匀等优点，近十多年来，全液压驱动系统逐步在牵引型履带式装载机上快速发展?。而在轮式装载机上主要采用半液压驱动的方式，即行走驱动系统采用机液耦合收稿日期：2013-06-05基金项 目：国家科技支撑计划(2013BAF07B01)作者简：介：杨勇(1987一)，男，重庆忠县人，硕士，主要从事液压传动与控制方面的研究工作。

3．2 检测结果为了验证检测装置的性能，对过渡机能为 0．52mm的气控阀连续进行了 15次测试，测试结果见图8所示。

图 8 重复实验结果实验结果表明，该装置连续对同一支阀进行 15次测试，最大误差0．06 mm，具有较好地测试重复性与稳定性。

4 结论滑阀式气动换向阀广泛运用于工业 自动化领域，由于目前滑阀式气动换向阀过渡机能的检测只能由人工完成，： 但无法保证测试精度与测试重复性，而且工作效率极低。本研究设计的过渡机能检测装置能有效克服 目前检测方法的不足，在保证检测精度的同时又具备较好的重复性，从而为该种类型的换向阀过渡机能检测提供了一种方案。

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1O6 液压与气动 2013年第10期传动，其他子系统采用静压传递的方式，一方面是因为行驶驱动系统要承受工作装置波动大的非平稳载荷，另一方面是因为液压系统时而出现系统振荡和响应滞后，影 响了系统 的稳定性和操控性能。采用基 于LUDV(Lastdruck Unabhangige Durchfluss Ve~eilung)多路阀的负载敏感改型系统电液流量匹配控制系统(E—lectro—hydraulic Flow Matching Control，EFMC)，对供油泵和主控阀进行几乎同步的开环液压控制，可基本消除液压系统中泵滞后于阀的现象 J，实现系统功率的快速匹配，这为实现轮式装载机全液压系统的建立提供了一种新方法。

1 EFMC结构与原理分析图1所示为传统的阀后压力补偿型负载敏感系统简图 ]，该系统的优点是变量泵对外载荷敏感，节能性明显；泵输出的流量按主控阀口的面积大小成比例共享分配，即使在系统流量不足的情况下，各执行机构也能很好地协调动作，即：系统具有抗流量饱和的功能。缺点是在长管道压力闭环控制中，存在泵比阀响应滞后，系统振荡，在一定程度上影响了系统的稳定性和系统动态特性的实时匹配。

图1 阀后补偿型负载敏感系统电液传动具有响应敏捷，实时性好等优点，因而电液传动 自动控制 已被广泛地运用于机械工程车辆中 J。图 2为 电液 流 量 匹配 控 制 系 统 原 理 图(EFMC)，该系统继承了传统型负载敏感系统的优点，并用电反馈来代替管道压力反馈，EFMC控制器输出信号 X1、X2给主控阀的同时向电比例泵输出控制信号 ，使得泵、阀几乎同步动作，提高了系统主控阀和电比例泵动态特性的匹配速度。

在该系统中，两个补偿阀入口端的压力有 ：P1=P2 PLs+ ／A0主控阀口两端的压差分别为：△p1=Ps—Pl，△p2=Ps—P2，所以 Ap1=△p2由压力流量特性方程Q=CAWX(2却／p) 可知，阀芯的位移量 是流量 Q的函数，即：Q=-厂(x)，两支路的流量分配与主阀阀口的开度有关。其中，c 为流量系数， 、 为 主控阀口的过流面积梯度和开度，P为油液密度。

J_——]-1 EFMC I-I控制器l图 2 电液流量匹酉 控制简图2 全液压驱动系统建模2．1 模块建模对于铰接式装载机，其液压系统主要由_r 作装置和行走驱动机构两大系统组成。_T作装置中的液压系统由供铲斗工作的转斗油缸回路及供大臂运动的动臂油缸回路组成，行走驱动机构的液压系统包括了供行走的液压马达回路和供转向的转向油缸回路。在行走驱动机构中一般分为两驱和四驱模式，两驱系统相对于四驱系统节能省油，但对于工程机械而言，时常要承受高强度随机性动载荷，为增加系统的动力性和灵活性，可将行走驱动机构设计成四驱系统，即：通过四个液压马达来驱动车轮。

液压行走机构的四驱模式的简图如图3所示。

油箱图 3 四轮驱动模式简图在两驱模式下，控制开关使控制阀处于截止位置，油路成关闭状态，只有一组液压马达接受动力驱动，而另一组马达为从动模式，在节流阀构成的双回路中油液自循环，跟随转动的液压马达从动转动。在四驱模式下，控制开关使控制阀处于接通位置，油路成导通状2013年第 lO期 液压与气动 107态，四个液压泵两两并联给系统提供动力。

由动臂油缸和转斗油缸构成的工作装置液压回路如图4所示，该子模型仍为阀后压力补偿型负载敏感系统。其中，阀 3为系统保护阀，阀4、5为主控阀，泵2的输出流量由控制器对电手柄操作信号和计算后输出的斜盘倾角信号来控制，6、7为阀后补偿器，补偿系统的压力。图5为装载机全液压驱动系统的整体模型。

2．2 数学建模在图5中取单元模型如图6所示。

忽略油缸和阀的油液泄漏，根据液流连续性，流入液压缸的流量方程为：dP,
= (Q 一AirA ) (1) f + 、 图4 工作装置液压子系统简图1．电机 2．电比例泵 3．流量计 4．多路阀组 5．转向油缸 6．动臂油缸 7．转斗油缸 8．行走机构 9．控制开关图5 基于 EFMC的装载机全液压驱动系统模型108 液压与气动 2013年第l0期式中，P 是主控阀4至液压缸 6高容腔压力，／3为液压油有效体积弹性模量， 为高压腔静止时总容积，A是无杆腔活塞头的有效面积，Q 为主控阀4至液压缸6无杆腔的流量，y为活塞运动的位移， 为活塞杆的速度。

一 。 图 6 单液压回路模型液压缸受力动态平衡方程为：： (p A 一CV—F)／m (2)式中，m为活塞及运动部件质量，c为粘性摩擦系数，F为运动部件受到的外部作用力。

在主控阀4至补偿阀5之间共形成了两段压力容腔，其压缩流量方程为：Qi= dpi Vl(= 2，3) (3)式中，Qi为第 i段管路的压缩流量，Pi为第 i段管路的压力， 为第 段管路的容腔容积。

由压力流量方程可得通过主控阀4的流量为：Q c (4)式中， 是流量系数， 、X分别为主控阀4过流面积梯度和开度，P 为泵 2出口压力，P 为主控阀4的出口压力，P为油液密度。

设泵出口至各主控阀之间的容腔为 ，则在此段容腔内形成的压缩流量 Q。为：警詈 (5)式中，P 为泵出口至各主控阀之间的压力。

如果将执行机构液压缸换成液压马达，则(1)式相应的变换成：警= ( 一V,a~o2) (6)式中，P 液压马达人口处的压力， 为主控阀与液压马达段的容腔容积，Q 为流出主控阀的流量， 、分别为并联液压马达1、2的排量，∞ 、∞ 分别为液压马达 1、2的转速。

所以在装载机全液压驱动系统中，液压泵总流量可以按下式计算：Q ：∑Q +Q (7)3 AMESim模型在 AMESim R10软件中，基于 HCD(HCD，Hydrau—lie Component Design的简称)模块可构造复杂的液压元件 J，构建了三位七通阀(如图7中的main spoo1)图7 液压控制单元模型2013年第 1O期 液压与气动 109图 l0 装载机全液压驱动系统的AMESim模型和两位两通压力补偿阀(如图7中的 pressure compen—sator)。根据其单元模型搭建了如图 7所示的阀封装模块 ，用于对液压回路单步动作进行控制。在图7中，1、2端口接负荷敏感控制油路，3、4端 口为输出端口，接液压缸或者液压马达，5、6端 口分别接液压缸输出端的位移，速度后处理信号，即图 8中的端 口3、2，或者接液压马达输出端的转矩，转角后处理信号，即图9中端口4和7、3和6。端口7所示为单个支路的总流量信号，该信号输送至图 10中和其他模块流量叠加后即为液压泵的流量输出总和，该总流量经过转换后形成液压泵的斜盘倾角输入信号Xp，用来控制液压泵排量的大小。端口8的输人信号则来自图 10中信号处理模块(signal processing plate)，处理原则按文献[6]的节能模式处理，即：使最大流量需求执行机构的对应图8 液压缸信号输入模块I4图 9 液压马达信号输入模块控制阀口全开，同时根据控制信号使各执行机构对应的控制阀阀口按比例增加，端口9接液压泵出口的主干路。图l0为装载机全液压驱动系统的AMESim模型。

4 结论本研究以轮式装载机液压系统建模为例，把液压行走机构模块整合到液压系统中，省去了传统意义上含 “双变”(液力变矩器和变速器)的结构，形成了全液压式驱动的装载机，同时简化了底盘结构，增加了结构的紧凑性。整个液压系统采用了电液流量匹配控制系统，利用电反馈信号同时对主控阀和变量泵进行同步控制，实现载荷功率和液压泵输出功率的实时快速匹配。提高了系统工作效率和节能性。

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