基于AMESim的先导阀与多路阀匹配优化分析

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目前，液压系统中先导阀与多路阀匹配设计主要针对-系列装载机产品进行匹配设计，以保证多路阀与先导阀的通用性，减少开发成本。但实际上不同的整机产品自身机重、载荷及作业工况差异较大，同-组匹配的先导阀与多路阀并不-定适用于各机型；同时常用的匹配分析方法也主要是通过传统的解析法对系统匹配性能进行分析计算，该方法较为复杂，对理论分析要求过高 ，在实际工程设计分析领域实用性较差。针对上述研究现状，本文在对先导阀与多路阀的特性匹配进行详细分析的基础上，以某型号装载机先导液压系统的动臂提升过程为例，采用 AMESim建立仿真模型，对其先导液作者简介：牛宏杰(1979-)，男，新疆石河子人，工程师，学士，研究方向：流体传动与控制。

- - - - - - 48----压系统的匹配特性进行仿真分析与优化。

l 先导阀与多路阀的匹配原理先导液压系统工作过程为通过控制先导手柄的转角，先导阀输出先导压力，通过控制多路阀阀芯的移动改变系统中液压油的流动方向及流量 ，从而实现被控工作装置的不同动作及动作速度，工作原理如图 1所示。

图 1 先导液压系统原理图对于匹配特性较好的工作液压系统 ，平稳动作先导阀，对应执行元件动作平稳，不会产生流量及压力的剧烈波动，同时先导阀控制区域较宽 ，系统微调性能较好。根据先导阀及多路阀的特性，绘制理想情况下(无负载)的最优匹配特性曲线 ，如图2所示，各关键点坐标注释如表 l所示。

3：：H jH3(H ，Q，Q -图 2 先导阀与多路阀理想匹配特性图图2中： 轴为先导阀输入位移；p 轴为先导阀输出压力；日轴为多路阀阀芯运动位移；Q轴为多路阀 A口输出流量。

表 1 挖掘机回转性能实测理论对比表坐标 坐标注释( 1，pl1) 先导输出压力线性区间起始点(x2，pl2) 先导输出压力线性区间终止点P3 先导输出压力最大值(Hl，P21) 多路阀阀口开始打开点(H2，P22) 多路阀阀口完全打开点3 多路阀阀芯运动的极限位移(H ，Q ) 多路阀开始输出流量点(H2，Q2) 多路阀最大输出流量点将图 2中先导阀与多路阀特性曲线根据实际液压系统工作过程分为以下阶段：(0 。)：先导阀空行程阶段，输出压力为 0；(xl，p )～( P )：先导阀先导压力线性区间，该区间为先导阀的有效控制区间；(H。，pz1)-( ，P ：)：多路阀阀口逐渐开启至最大过程，该区间为系统有效调速区间；(日：～日。)：多路阀阀口处于全开阶段，虽然多路阀阀芯有移动，开口面积已基本保持不变，且多路阀PT通道逐渐完全关闭，因此输出流量(Q：)为泵输出总流量，此阶段多路阀输出流量基本保持不变。

结合图2，理想的最佳匹配状态为：p11 pZl；pl2 PZ2该 匹配状态充分利用了多路阀的调速 区间～ 可对执行元件实现全流量范围内的调速；同时在对多路阀进行控制时，又充分利用了先导阀手柄的调速控制范围 ～ 使操作者有较好的微调操控感觉。

2 样机匹配状态分析在实际先导液压系统中，由于设计或制造等原因，先导阀与多路阀的匹配特性并未达到最佳状态，以某型号小型轮式装载机试制样机为例，实际操作过程中发现动臂提升时先导手柄无效行程较长，有效的线性控制区间较短，尤其是在额定载荷工况下，无效行程几乎占据了先导阀手柄总行程的50%，因此，需要进行优化以改进工作液压系统的操纵性能。

· - - - - - 49--·-- 根据匹配特性所需数据设计测试系统，布置压力 、流量及位移传感器(见图3)，设定测试工况为发动机额定转速，泵输出总流量为 150 L/min，缓慢控制手柄以提升动臂～采集到的先导阀位移、压力及多路阀控制压力、位移和流量随时问变化的数据转换成图4所示匹配特性图。

41.多路阀入口压力与流量传感器 2.动臂液压缸无杆腔先导压力传感器 3.多路阀阀芯位移传感器 4.动臂液压缸无杆腔入口压力与流量传感器图3 匹配特性测试传感器布置图0·0 · P，p22) . 1.2)J厶 / / 、、， ) / ll0 ： l l1J(//1o， 1o) l ! ///mn I ： I l · m舶～ 7 6 萋 8图 4 优化前匹酉 特性试验 曲线测试结果显示先导阀开始动作后，在输出控制压力线性区间前期 ( ～ )，多路阀阀芯已形成位移 ，但未输出有效流量 ，其中(R：I1.25 mmP 0.72MPa)为先导阀线性区间起始点 ，( 2.75 mm，pL.1.16 MPa)为多路阀开始输出流量时对应的先导阀的位移及输出压力，根据各关键点该系统匹配状态如下 ：1)P

综上分析，该先导液压系统中多路阀流量特性较为平稳，没有剧烈的流量波动，但先导阀线性区问有效利用控制区间仅为 2.75～7.50 mm，实际先导阀有效控制区间为 1.25～7.50 mm，则线性区间利用率为：叼 - 7 50-1 2576% (1) ”々- 1 . 。

、故该先导液压系统匹配特性需进行优化 ，提高先导阀线性区间利用率，以提升系统流量控制特性的有效控制区域宽度。

3 AMESim仿真建模与参数设置根据样机所采用的先导阀、多路阀及工作机构建立动臂多路阀对应的 AMESim仿真模型，其中先导阀与多路阀模型的建模精度对系统匹配特性较为关键 ，因此 采用 HCD (Hydraulic ComponentDesign)库建立了其精确的元件级模型，以保证液压仿真的准确性；而对系统匹配特性影响较小的液压动力元件、执行元件及液压附件等则采用 Hydraulic库建立其系统级仿真模型，以兼顾仿真的运算效率；工作机构采用 PLM(Planar Mechanica1)库建立模型，实现系统的动态加载，更为直观地分析系统负载变化对系统的影响，最终建立系统 AMESim仿真模型如图 5所示，执行机构方真模型如图 6所示。

根据样机匹配特性分析需要设定仿真工况为额定流量 、铲斗内空载，该工况属于整机性能分析的典型工况，各项参数稳定，匹配性能可比性较强，该工况对应仿真参数如表 2所示。

4 匹配特性仿真分析4.1 优化前匹配特性仿真分析根据所设定的仿真参数进行仿真运算，得到该系统在空载工况下的匹配特性(见图 7)，系统匹配性能与试验测得的匹配现状数据基本吻合 ，先导阀线性区间起始点压力过小，导致先导阀无效行程较大，先导阀有效利用线性区间为 3.5O～7.20 mm，先导阀实际有效控制区间为 1.25 7.20 mm，线性区间有效利用率 62%，严重影响了工作系统的操纵性能。

仿真结果与试验数据共同表明该系统中多路3 mm，考虑到多路阀阀芯与阀体的密封性要求，该有效控制长度已经满足控制要求 ，因此后续优化工作对多路阀不作调整，仅通过优化先导阀的参数来提升该系统的匹配特性，即假定匹配特性图中P和P 不变，通过调整P 和P 的值来优化先导液压系统流量匹配特性。

对于样机所采用的先导阀而言，其先导阀输出的压力特性为：pc式中：k。为调压弹簧刚度 ，N/mm；x。为调压弹簧预紧- 5l- 长度，mm； 为先导阀有效位移 ，mm；A。为先导阀阀芯的作用面积，mm 。

则对应的P 和P . 的值为：鲁 (3)c4先导阀阀芯及阀体尺寸的优化难度较大且成本较高 ，而调压弹簧的优化空间较大 ，而且-般情况下通过调整调压弹簧的参数基本能够满足性能优化的要求，因此优化过程中优先对调压弹簧参数。和k 进行调整，尽量保证 和△ 不变。

AMESim仿真软件中批处理(Batch Run)功能能够有效且直观地分析系统中特定参数对系统压力 、流量等性能的影响，因此将通过对调压弹簧预紧力。及弹簧刚度 k。的仿真分析，从仿真结果中选取最优的弹簧参数，改进系统匹配特性。

4.2 调压弹簧预紧力的影响根据优化前调压弹簧预紧力 l5-3 N，从实际可制造的弹簧系列参数中增加 20.1 N、23.5。N及 25.8N的预紧力设置(见图 8)，进行 AMESim批处理仿真分析，得到先导液压系统匹配特性曲线(见图9)。

- - q臻 羽Seltl曩e嘲嘲 靠俐幢 螬蝌 辔g patt ersirtlo 融 酶 撕碱 嚣耄I哪 tmnlml 酬 棚嚣 e摊s li s麟1 Set2 d0 l Sa4 lL1 $ 憾 。 扮 箍 um ·h 《· t 谢 - 0 8霈 《el № 曼 曼曼；l i l图 8 调压弹簧预紧力批处理设置仿真结果显示：增加调压弹簧预紧力后相同的先导阀位移可产生更大的先导压力，使得多路阀输出有效流量时对应的先导阀位移 更小，减小了先导阀的无效行程；但另-方面增加预紧力的同时会导致P 同步增加，当P1I2>p 会导致输出流量在先导压力并未达到线性区间终止点P 时就已经达到最大，之后对流量失去有效控制，先导阀的后续线性区l司未能得到充分利用，因此，针对样机的先导系统，增加预紧力仅能够减小起始阶段的先导阀无效行程，并不能充分利用先导阀的线性区间。因此，需- 52- 曲线 - 预紧力 15.3 N；曲线 2--预紧力 20.1 N；曲线3--预紧力 23.5 N；曲线 4--预紧力 25.8 N图 9 调压弹簧预紧力对匹配特性的影响配合弹簧刚度调整进行最大程度的匹配特性优化。

4.3 调压弹簧刚度的影响根据弹簧系列选取调压弹簧刚度 6.4 N/mm、5.8N/ram、5.5 N/mm及 5.0 N/ram的刚度设置，进行批处理分析，得到图 10所示的匹配特性曲线。

。。0 Pi，- P2.2) ，n 、i 2， I' 蛹 、 姿 H 嘶，P2≤lm 二I ： 刀i 萋， 、： -903L12057J/(H，Q1)， 2 IJ./缸Q2)ln曲线 1--刚度 6.4N/mm；曲线 2--刚度 5.8N/mm；曲线3--刚度 5.5N/mm；曲线 4--刚度 5.0N/mm图 10 调压弹簧刚度对匹配特性的影响仿真结果显示，减小先导阀的弹簧刚度可以使得先导阀压力-位移特性曲线的斜率减小 ，从而实现不同的调速特性。随着先导阀位移的增大，调压弹簧刚度的影响体现得越发明显 ，因此先导阀调压弹簧刚度变化主要影响线性区间终点 P。 的压力值。当弹簧刚度值过小P1.2<]9 (图lO中曲线 3、曲线4)会导致先导阀线性区间结束时多路阀流量的突变，影响系统的操纵性能。

4.4 优化前后匹配特性仿真对比由优化前匹配特性可知，优化该系统匹配特性需要增加P ，同时保证 P . 变化不大 ，结合上述对调压弹簧参数的批处理分析结果 ，最终优化方案为弹簧预紧力增加至 23.5 N，同时降低弹簧刚度至 5.0N/mm，得到优化前后匹配特性对比曲线(见图 11)。

由图 11，经过优化 ，P 增加至 0.9 MPa，P2 与P 之间差值减小，多路阀开始输出流量时，先导阀对应位移为 2.35 mm，无效行程有效减少，考虑到先导阀实际制造精度及密封要求等因素，该匹配特性在工作液压系统中已较为合理。

自 j：、 肇7 i i .6 j： / (HI，Q0 -30 ： / n 、 ： / .1刍 ：： / 鲁 ；/ 9O i i/ ，Q：) lSO (x2iQ2 i图 1l 优化前后匹配特性仿真对比曲线同时，p ：基本保持不变，当多路阀开口全开时，对应先导阀触头位移为 7.20 mm，因此先导阀的有效控制区间为(2.35 mm～7.20 mm)，线性区间利用率为 81.5%，对比优化前(62%)得到了明显的改善，经优化后的系统匹配特性满足实际操纵性能的要求。

5 优化前后匹配特性试验对比根据仿真结果，按改进方案更换新调压弹簧进行装配，在样机上进行重新测试，得到先导液压系统匹配特性曲线，与优化之前曲线进行对比，结果如图 12所示。

由图 12，经过该优化 P 增加至 0.9 MPa，P与P 之间差值减小，多路阀产生流量时对应先导阀位移为 2.02 mm，无效行程得到了减小；同时优化后P 值与优化前基本保持不变，避免了输出流量过早达到最大。先导阀有效利用的线性区间为2.02 mm～7.50 mm，有效利用率为 89.1%，较优化前(76%)得到了明显改善，系统流量特性平稳 ，该匹配状态满足实际使用中对先导机型良好操纵性能的要求。

试验结果与仿真结果基本相符 ，但也存在-定§爿3 l r ～ ( ) ： ； 1 2)f彷纪虚. Ii - 缓 优亿前 1 1 ， ：， i .、 ； Him l % i 4 5 6 7/(爿t，口-) ：-30 / ； /，国 ) ，图 12 优化前后匹配特性试验对比曲线的偏差，主要是建模过程中对实际部分环节进行了等效及仿真参数与元件实际制造参数的误差引起的，由于对系统匹配特性分析及优化工作影响较小 ，属于可接受范围。

5 结束语通过对先导阀与多路阀的匹配特性进行详细分析，运用 AMESim软件建立了先导液压系统动臂联详细的仿真模型，为今后先导液压系统的设计与匹配提供了理论依据与方法指导。

通过仿真分析对某-种先导液压系统匹配特性提出优化方案 ，并通过实际试验验证了改善效果 ，仿真结合试验的方法有效地减少了实际优化过程中试凑的次数，提升了设计与优化的效率。