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基于AMESim大中型挖掘机行走马达控制阀缓冲机能研究

作者：刘雪垠费宇张志会雷宇航 2015年02月27日来源：浏览量：

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近年来，我国工程机械行业蓬勃发展，但工程机械部分零部件特别是泵、阀、马达等核心部件还主要依赖进口，因此需要开发一批质量可靠、性能优越的工程机械相关零部件产品。行走马达是工程机械特别是大中型履带式工程机

近年来，我国工程机械行业蓬勃发展，但工程机械部分零部件特别是泵、阀、马达等核心部件还主要依赖进口，因此需要开发一批质量可靠、性能优越的工程机械相关零部件产品。行走马达是工程机械特别是大中型履带式工程机械的核心部件，具有结构紧凑、低速大扭矩、工作可靠的优点，其性能直接影响到工程机械的性能。行走马达控制阀的一个重要作用是具有控制马达在制动过程中出现压力波动的缓冲阀机能。

1 挖掘机停止过程行走马达工作原理

在挖掘机由行走到停止的过程中，集成控制阀的缓冲作用是挖掘机平稳停止的关键。因此，分析停止过程中控制阀的缓冲过程是控制阀设计的重点。由原理可知，挖掘机停止时，平衡阀回复到中位机能，切断行走马达的进回液。此时由于挖掘机的惯性作用，马达继续旋转，此时马达的功能相当于泵的作用，向原回液腔供液。在这个过程中，原回液腔的压力由回油背压（约0.2MPa）急速上升，当压力达到右安全阀一级开启压力时（10.2MPa），右安全阀开启，向原供液腔供液，防止马达出现空洞现象，若压力继续升高至41.2MPa时，则左安全阀的二级开启，同样向原供液腔供液。在整个过程中，当一级安全阀开启后，缓冲器的缓冲作用停止，缓冲器失去意义。

图1 缓冲单元液压原理图

2 缓冲性能研究

2.1 冲击时间计算

以现代挖掘机R210LC-7配套帝人GM35VL行走马达系统进行研究计算。

根据动量定理Ft=mν₂=mν₁，挖掘机由高速行走到停止过程中，如果忽略摩擦力等其他因素的影响，行走马达的制动扭矩将作为挖掘机的停止阻力。因此挖掘机停止时间为：

2.2 缓冲时间计算

挖掘机行走时，缓冲器结构如图2所示，由于压力的作用将移动到阀体的一端，当挖掘机停止时，由于挖掘机的惯性，原回液腔压力逐渐升高，缓冲器在压力作用下往另一端运动从而吸收压力冲击。缓冲器由右到左的排液体积为ΔV，当安全阀阀芯节流孔直径为d时由于缓冲器在安全阀一级压力开启后即失去缓冲作用，因此取极限情况，在安全阀开口处压力为10.2MPa时，计算缓冲器的缓冲有效时间。

1.缓冲器堵头 2.缓冲器堵头密封圈 3.缓冲器

图2 缓冲活塞剖面图

1.安全阀阀体2.安全阀挡圈23.安全阀阀体密封圈4.安全阀阀芯

5.安全阀阀芯密封圈6.安全阀阀芯格莱圈7.安全阀挡圈1

8.安全阀阀体密封圈29.安全阀弹簧10.安全阀堵头

11.安全阀调整垫片112.安全阀调整垫片213.安全阀弹簧柱

14.安全阀阀体密封圈115.安全阀堵头密封圈A、B、C.压力油口

图3 安全阀组件

流量为：

最小缓冲时间为：

式中：ΔV为缓冲器有效缓冲体积；ΔP＝10.2MPa，为安全阀阀芯两端压力差；d为阀芯节流孔直径；ν为介质黏度；ρ为介质密度；l为节流孔长度。

2.3 缓冲机能研究

由挖掘机的停止过程分析，控制阀的缓冲时间td应不小于挖掘机由运动到静止过程的冲击时间t。由于缓冲器的有效缓冲体积一定，若缓冲时间太长，则缓冲效果不明显，达不到吸收压力冲击的作用；若缓冲时间太短，小于冲击时间，则不能满足在冲击全过程吸收压力冲击的要求。而缓冲时间td主要取决于安全阀阀芯节流孔的长度l和直径d。

3 缓冲单元的仿真模型建立

3.1 仿真软件AMESim

AMESim是法国Imagine公司推出的基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软，AMESim仿真软件应用广泛，不仅可以指导新产品的设计开发，而且还可以建立现有产品的仿真模型并进行参数修改以对现有产品性能进行改进。AMESim仿真环境包含的系列软件主要有5种：AMESim、AMESet、AMECustom、AMERun和AMEHlep。其中AMESim可以完成系统仿真模型图的建立、模型的选择、参数的设定、仿真和动态性能的分析，软件还提供了多种元件设计库，以便用户可以根据自己的要求来进行设计。基于上述原因，本文采用AMESim对缓冲单元进行分析。

3.2 缓冲单元的物理建模

在挖掘机由行走到停止的过程中，集成控制阀的缓冲作用是挖掘机平稳停止的关键。因此，分析停止过程中控制阀的缓冲过程是控制阀设计的重点，结合图1缓冲单元的液压原理对缓冲单元进行物理建模，其结构如图4所示。

1.安全阀组件2.缓冲器堵头3缓冲活塞4密封圈

图4 缓冲单元物理模型

3.3 缓冲单元的仿真模型

在系统建模过程中，需在AMESim软件中依次完成草图模式（SketchMode）、子模型模式（SubmodelMode）、参数模式（ParameterMode）和运行模式（RunMode）。其中，草图模式最为关键，需根据系统的实际结构，选择模型库中元件子模型构建整个系统的仿真模型，缓冲单元的仿真模型如图5所示。

图5 缓冲单元的AMESim仿真模型

在参数模式设定系统中的各元件的参数如下：泵的流量为160L/min，溢流阀开启压力为5MPa，正弦信号输入值为2null，缓冲活塞的直径14mm；安全阀1的开启压力为10.2MPa，安全阀2的开启压力为41.2MPa，缓冲活塞的最大位移为84mm。

在运行模式下设置仿真参数并运行，并得到安全阀阀芯位移的仿真曲线如图6所示。

图6 正弦信号下阀芯位移曲线

在系统子模型搭建完毕之后，进入参数设置模式，在参数设置的模式下，可以根据系统的控制要求，将系统压力、系统流量、负载、脉冲信号等参数分别在元件的参数设置对话框中完成。例如针对系统中的缓冲阀其主要对如下参数进行设定：①活塞杆直径，②活塞直径，③最小位移限制，④最大位移限制，⑤质量。在参数设定完成后，单击[Runparameter]按钮进行数字液压缸系统的仿真研究。将系统的仿真时间设定为10s，时间间隔为0.05s，进行计算得到仿真结果分析。

为了简化计算，对系统采用正弦信号进行跟踪，其中主要元件的参数设定如表1所示。

表1 主要元件参数设定

由图6可知，在正弦信号下，系设定系统仿真时间为5s，仿真的时间间隔为0.002s并运行仿真，可以看出在系统中阀芯位移在0.3s的时候出现小幅度变化，是由于液压系统中的冲击引起，在0.5s时出现了反向变化，之后液压冲击变小。系统趋向于平衡，并紧随正弦信号的变化。

系统在阶跃信号下的响应曲线如图7所示：系统阀芯位移曲线在0.2s时，位移达到了最大值，主要是由于系统中的冲击压力达到了42MPa导致缓冲阀的阀芯在极短的时间内达到最值，系统在0.5～1.5s时出现小幅变化，主要是由于系统中压力达到了安全溢流阀的开启压力10.2MPa时溢流阀开启导致，系统在2.3s时系统趋向稳定。