非对称液压缸的动态特性仿真研究

　　非对称液压缸具有结构紧凑、工作可靠及生产成本低等优点,因而广泛应用于车辆、工程机械、矿山机械等的液压系统中。非对称液压缸作为液压系统的主要执行元件,其动态特性是评价液压系统性能的一个重要指标[1-3]。非对称液压缸在输入流量或负载发生变化时,输出压力会发生变化,活塞就会出现加速或减速的瞬态过程。非对称液压缸的动态特性分析就是对这一瞬态过程中的输出压力和活塞运动速度变化进行分析[4]。对液压系统的动态特性,国内有很多学者做了研究。罗艳蕾[5]对液压节流调速系统动态特性进行了仿真,崔昊等[6]对一开关型阀控液压缸进行了仿真与优化,史显忠等[7]对由对称阀控非对称液压缸组成的转向系统的动态特性进行了研究。

　　本文通过对非对称液压缸动态特性进行分析研究,着重以山河智能机械股份有限公司的SWE90挖掘机铲斗液压缸(非对称液压缸)为例进行仿真分析,指出影响其响应快速性和运动平稳性的主要因素。

　　1　模型的建立

　　非对称液压缸——负载系统如图1所示,无杆腔为工作腔,通高压油,推动活塞克服外负载向右运动,有杆腔的油液则通过节流阀回油箱。为使分析简化,假设其回油腔直接通油箱,即P2=0。非对称液压缸的数学模型由活塞的力平衡方程和其工作腔的流量连续方程组成。

　　非对称液压缸活塞上力平衡方程[4]为

　　式中:A1为非对称液压缸进油腔面积(m²);P1为非对称液压缸进液腔压力(Pa);m为非对称液压缸运动部件质量(kg);u为非对称液压缸活塞运动速度(m/s);B为粘性阻尼系数(N·s/m);FL为负载力(N)。

　　非对称液压缸工作腔的流量连续方程[4]

　　式中:Q1为非对称液压缸进液管路流量(m3/s);Ci为非对称液压缸内泄漏系数[m³/(s·Pa)];V1为非对称液压缸进油腔及相连油管的液体容积(m³);β为液体体积弹性模量(Pa)。

　　对式(1)和式(2)作Laplace变换并整理得

　　非对称液压缸的输入量为流量和外负载,输出量为速度和力,因工作腔的工作压力反映输出力,故输出量为非对称液压缸活塞速度和工作腔压力。

　　取Q1(s)为输入,u(s)为输出,可作出非对称液压缸的方框图,如图2所示。

　　由式(3)、(4)可求非对称液压缸输出u(s)为

　　式中,ωn为非对称液压缸固有频率,为非对称液压缸阻尼比,

　　取Q1(s)为输入,P1(s)为输出,由式(3)、(4)可求非对称液压缸输出P1(s)为