基于AMESim的一种新型气、液耦合能源系统仿真分析

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AMESim是-种工程系统高级建模和仿真平台软件，它基于直观图形界面的平台，在整个系统仿真中，仿真系统都是通过直观的图形界面展现出来的。

目前 AMESim已在车辆、越野设备、航天航空以及重型设备工业等多领域取得广泛应用 J。本研究采用AMESim仿真平台软件对-种新型气、液耦合能源系统建立了仿真模型，通过能源系统仿真分析，初步了解此类能源系统特性，并通过定量的分析得到各参数变化对能源特性的影响，初步得出了此类短时工作能源系统的仿真、分析方法。

1 系统简介与传统的泵式能源不同，此类气、液耦合能源系统采用挤压式能源方式，主要应用在航空、航天等短时工作领域。该伺服系统主要由高压气瓶组件、高压气体稳压阀组件、挤压式油箱组件3部分组成，其系统的组成如图l所示。高压气瓶组件内储存高压气体，当系统工作时，储存的高压气体经高压气体稳压阀向挤压式油箱内充入-定压力的气体，从而产生恒定压力的液压能源，为下游负载提供能源动力，驱动液压系统完成指定工作流程。

漏 罄 竖： 挤压式能源系统 - - ，伺服阀 图 1 气体挤压式能源系统组成图挤压式能源系统能量是通过高度压缩气体来实现的，在工作过程中通过内部的气体膨胀做功实现油液的挤压增压，随着气体的逐渐膨胀，在全程工作过程中涉及气体、液体以及机械的压力、温度、机械能等多种能量耦合 ，涉及气体流动状态由超临界状态3 向亚临界状态转化，并且气体的流动状态跟随负载随机变化，采用传统的理论计算方法仅能实现特定工况下的粗略计算，且计算过程复杂，无法对系统全程工作过程进行分析，因此，本研究利用 AMESim在气体、液体和机构收稿日期：2013-05-22作者简介：李俊岩(198l-)，男，河北衡水人，工程师，硕士，主要从事液压伺服系统研制工作。

液压缸B液压缸A1 14 液压与气动 2013年第7期仿真的优势对此类能源系统进行仿真分析。

2 能源系统建模及仿真分析气体挤压式能源作为伺服系统的初级能源，其主要功能是在综合考虑各种因素条件下，使能源系统的比功率实现最优化，使能源既能够满足系统的能量需求，又将能源的质量最携，用质量最小的能源满足系统的最大功率需求，提高系统比功率。即通过合理地设计高压气瓶储气容积、储气压力实现能源系统的最优化。气体挤压式能源原理示意图如图2所示。

图 2 气体挤压式 能源原理示 意图2.1 能源系统 AMESim模型根据高压气瓶、气体稳压阀和挤压式油箱结构及原理，采用 PNCH022拈建立了气瓶模型，采用气体组件库搭建气体稳压阀模型，采用液压拈库搭建活塞式挤压式油箱模型，并以流量控制系统作为能源负载，建立 AMESim能源系统模型，如图3所示，模型参数如表 1所示。

图3 高压气体挤压式能源AMESIm模型表 1 高压气体挤压式能源参数表所属部分 参数名称 数 值气体介质 氮气 N高压气瓶 气瓶容积 40～50 L充气压力 35-45 MPa气体稳压阀 输出压力 21 MPa油箱 储油容积 37 L空载流量 30 L/min负载参数空载压力 2l MPa2.2 仿真分析根据气体挤压式能源 AMESim模型对能源系统进行仿真分析，主要分析高压气瓶初始充气压力、充气容积对能源特性的影响机理，定性分析能源特性与气瓶充气压力、容积的关系。假设气体挤压式能源流量输出如图4所示。

3530鲁25髓 5箍 10图4 气体挤压式能源输出流量指令曲线. 1)不同储气容积下，能源特性分析根据图5所示，假设保持气瓶初始储气压力为40MPa不变，增大高压气瓶的储气容积，可以有效地增大能源系统工作末期的剩余压力，影响程度基本成线性关系；当气瓶内的气体压力低于气体稳压阀定压值时，挤压式油箱气腔内的气压与气瓶内的压力基本相同。

图5 气瓶、油箱气体压力变化曲线2)不同储气压力下，能源特性分析根据图6所示，假设保持气瓶初始储气容积为45 L不变，增大高压气瓶的储气压力，可以有效地增大能源系统工作末期的剩余压力，且随着容积的增大，这种差异性有增大的趋势，但当气源的初始储能不足而造成气源压力低于稳压阀定压值时，挤压式油箱气腔内的气压将不能维持不变而与气瓶保持等压。

2013年第7期 液压与气动 1 15图 6 气 瓶、油箱气体压力变化 曲线3 全系统仿真分析为分析挤压式能源的能源特性 与液压伺服系统 的运动控制关系，在建立能源系统 AMESim模型的基础上，建立了包含能源系统、液压缸、伺服阀以及亿负载台在内的全系统 AMESim模型，其模型及参数分别如图7和表 2所示 ，伺服系统指令曲线及能源曲线如图8所示。

### ④ 0 固图7 气体挤压式伺服系统 AMESim模型根据图8液压缸指令和位置响应曲线分析可知，信号中包含暂态特性(方波)、速度特性(三角波)、位置特性(正弦信号)、频率特性(正弦信号)共计4中典型信号，从位置响应曲线与指令曲线的对比分析得出，液压缸能够很好的按照指令信号进行运动，由于系统的频宽所致，在频率特性高频部分液压缸位置响应逐渐衰减。

表 2 气体挤压式伺服系统参数表所属部分 参数名称 数 值充气压力 40 MPa高压气瓶气瓶容积 45 L调节阀 输出压力 21 MPa挤压式油箱 储油容积 37 L直径 D77 mm：d20 mm液压缸参数伺服阀 q0200 L/min；P 21 MPa负载质量 500 kg负载参数 负载惯量 ，150 kgm力矩梯度 K5500 Nm/。

· 暂鸯信号 位置信号/速度信号 / 暂态信号/ 信号/j(/)(/ 信号 压舭 指令lI 嘴令图8 AMESim模型指令曲线及能源特性仿真曲线根据图8高压气瓶和挤压式油箱的能源压力曲线，在初始阶段油箱压力由零建压至21 MPa额定压力的过程中，气瓶内的高压气体经气体稳压阀向油箱快速流动，使气瓶压力由40 MPa降低至38 MPa；在液压缸A做暂态动作时，对能源流量需求增大，油箱压力出现0.6 MPa左右的波动，同时气瓶内的气体压力持续对外膨胀做功，压力由38 MPa降至37 MPa；在液压缸A做三角波动作时，需要能源提供持续的大流量，油箱压力由 21 MPa下降至 20 MPa，气瓶压力 由 37MPa降至36 MPa；在液压缸 A频率特性时间内，液压缸做高频往复运动且速度逐渐加快，导致油箱压力在中频阶段出现0.7 MPa的下降，在高频阶段由于液压缸响应衰减，压力恢复至稳定值，在此过程中气瓶压力由36 MPa降低至29 MPa；随后为液压缸B的动作，其动作原理与液压缸 A相同。

4 结论本研究采用AMESim仿真软件对-种气、液耦合挤压式伺服能源系统进行了仿真分析，得出了挤压式116 液压与气动 2013年第7期DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.07.038浅析叉车液压传动系统气泡的危害与去除余建福Harm Analyzing and Elimination of Forklift HydraulicSystemS Air-bubbleYU Jian-fu(安徽合力研发部，安徽 合肥 230022)摘 要：分析了叉车液压传动系统中气泡形成的原因、产生的机理以及气泡在液压系统中存在的主要方式和形成的主要途径。从影响系统正常工作，导致气穴气蚀的发生，油温升高致油液变质以及产生噪声和振动等几个方面论述气泡对液压系统的危害，并提出了-些减少气泡的方法。在设计液压系统时注意尽量减少气泡的产生，减少危害。

关键词：叉车液压系统；气泡；危害；油液中图分类号：TH137；TH138 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)07-0116-03引言叉车液压传动系统是利用液压油来传递能量的传动机构，这主要基于油液在系统压力下的不可压缩性。

其通过油液把运动传给工作油缸(起升油缸、倾斜油缸和转向油缸)，以达到装卸货物的目的。在叉车液压系统的实际应用中，考虑最多的是油液的黏度和环境温度对液压系统工作的影响，而忽视了油液中气体对系统产生的危害。当油液中含有气泡时，流动着的油液就变成了气-液两相流，油液的可压缩性幅度增加，体积弹性模量剧减，导致系统反应迟滞、油温升高、油缸运动出现爬行现象、起升无力、转向重、制动迟缓或制动不装产生剧烈振动和噪声等问题，也有可能使油液性能劣化，造成液压系统的故障率增加。

1 气泡在油液中存在的方式及形成的途径叉车液压系统在大气环境下工作，液压系统中含有空气是不可避免的≌气在液压系统油液中的存在方式主要有两种：-种为混人式空气；另-种为溶解式空气≌气以气泡状态掺混于油液中的现象，称为气泡油现象。

1.1 混入式空气混入式空气在油液内独立存在，以球状气泡形式悬浮于油液中，这时的油液就成了气泡油。油中混入的空气量决定于油液的性质及油液与气体的接触和搅动情况，加压后可使部分混入气体溶于油液中。油液中混入空气后，不仅使油液的体积弹性模量急剧下降，而