旁路节流调速系统负载变化的动态仿真

　　0 引言

　　旁路节流调速系统的调速性能、机械特性和功率特性基本上决定了其所在液压系统的性质、特点和用途。虽然旁路节流调速系统效率较高, 适合于高速大负载的场合, 在工程中获得了较为广泛的应用[1]。但实践中发现:由于没有背压, 使执行元件运动不平稳; 液压泵压力随负载变化而变化, 引起液压泵的泄漏也随之改变, 导致液压泵实际输出量的变化, 增大了执行元件运动的不平稳性,工作部件的运动随外负载的增减而改变, 难以得到很准确的速度; 低速承载能力差, 调速范围小[1]。本文通过旁路串接节流阀为例, 分析旁路节流调速系统的动态特性。

　　1 旁路节流调速回路原理

　　如图 1 所示, 在不考虑液压泵的流量脉动、液压缸泄漏和管道动态特性及管道压力损失的情况下, 液压缸活塞的受力方程为[2～4]:

　　式中: A1、A2—液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积; p1(t)、p3(t)—液压缸无杆腔、有杆腔的压力; m—活塞的质量; B—粘性摩擦阻尼系数; f(t)—外负载; u(t)—活塞的运动速度。液压缸无杆腔液流连续性方程为:

　　式中: q1(t)—液压缸无杆腔进油流量; VH—液压缸无杆腔的容积 (包括管道); E—油液的有效体积弹性模量;λc—液压缸的漏损系数。系统旁路流量 q3:

　　式中: A—节流阀的通流截面积; Cd—节流口流量系数; ρ—油液密度。液压泵供油流量 qp(t)为:

　　假定系统回油压力 p3(t)=0, 由式(1)、(2)得:

　　对于定量泵 qp(t)=常数, 同时将(4)～(6) 线性化并将平衡工作点移至坐标原点, 进行拉氏变换:

　　式中: Kq="Q3"A=Cd2p10ρ!为节流阀的流量增益;Kp="Q3"A=CdA02ρ!/2 p!10为节流阀的压力—流量系数; p10—是稳态工作点 p1(t)的压力值。若调速阀的节流开度保持不变[5～7], 则 A(s)=0。由式(8), (9), (10) 即可作出系统方框图如图 2。从而得液压缸无杆腔的压力 P1(s)为输出负载 F (s)为输入的传递函数:

　　系统的增益 KA、无阻尼固有频率 ωn和系统的阻尼比 ζ分别为:

　　2 旁路节流阀节流调速系统的动态数字仿真

　　(1) 系统稳定性分析。选定液压系统数值, 根据状态方程进行系统的动态特性仿真, 相当于求系统在阶跃输入下的动态特性。本系统在给定数值条件下, 绘制出液压系统的仿真曲线如图 3。从图 3 可以看出液压系统是稳定的。