中高压液压缸实验台液压系统仿真及优化

　　引 言

　　液压缸是液压系统主要执行元件之一。目前已广泛应用于工程机械、矿山机械、汽车工业以及智能机械等各类行业，如挖掘机、起重机、高空作业车以及机器人制造 等。其特性好坏在很大程度上影响液压系统的工作性能。随着液压技术的飞速发展，对液压缸综合性能要求也日益提高，液压缸的试验与检测已成为保证液压系统正 常工作的重要手段。

　　目前国内液压行业生产厂和液压研究所，均有相应产品的液压缸实验台。考察得知这些实验台大多存在以下问题：实验台所测试的液压缸工作压力均为低(中)压， 不能满足众多中高压液压缸的测试要求；液压系统的油温很难控制在50±50C 之内，从而影响了液压缸实验台的测试精度；当活塞杆运动方向发生变化时，液压缸两腔会产生压力突变；当外负载变化范围过大时，液压缸两腔会产生气蚀，压力 超过油源压力；回路中关键技术参数对液压系统动态特性的影响规律较难确定。以上几个问题是制约液压缸实验台测试精度和自动化水平提高的主要因素。本文基于 现存液压缸实验台的不足，提出了新的实验台设计方案。利用功率键合图法建立了该液压系统的数学仿真模型，通过变步长的 Runge-Kutta 法对液压缸的动态特性进行了数字仿真，得到了系统参数对动态特性的影响规律。最后利用 Laplace-Itae 准则和matlab 软件对系统动态品质进行了参数优化，得出了一组最佳液容参数。

　　1 实验台液压系统方案的确定

　　中高压液压缸实验台要求系统输出功率大。单纯的节流调速回路存在效率低、发热大，功率损耗大等缺点。单纯的容积调速回路没有节流损失和溢流损失，而速度负 载特性较软，尤其在低速时，泄漏量在总流量中所占比重增加。为了提高系统效率和速度稳定性，实验台采用容积节流联合调速回路――限压式变量泵和调速阀的调 速回路。为了完成液压缸规定项目的实验，必须按工作条件对被试缸进行模拟加载，该实验台采用溢流阀加载。为了降低液压缸活塞杆换向时的压力波动，实验台采 用非对称阀来控制非对称液压缸，能降低压力突变，并在一定程度上避免系统出现气蚀及压力超过油源压力的现象[1]。为此设计了一套自动化的液压缸实验台系 统，如图 1 所示。其工作原理为：被试液压缸 14 和加载缸 17 供油回路分开。当进行负荷实验时，被试液压缸向左(或向右)移动，使得加载缸也跟着向左(或向右)移动。由定量齿轮泵 3 经单向阀向加载缸的左腔(或右腔)主动补油，以防补油腔产生一定的真空度。而右腔(或左腔)液压油经溢流阀 15 排回油箱，溢流阀的调整压力，可根据负载压力来调节，以实现被动加载。这样设计能使加载缸回路中的单向阀、补油泵等都处在低压下工作，只有加载缸出口、单 向阀和溢流阀间的一小段管路在高压下工作。采用这种被动加载方式，使一个高压系统处在低压下工作，系统安全可靠，并可大大地节省能源、降低成本。被试液压 缸回路中采用限压式变量泵 2 和调速阀 12 调速，调速范围大，速度负载特性较硬，而且没有溢流损失。利用非对称电磁换向阀控制非对称缸，保证了液压缸换向时的压力冲击，避免了噪声和振动。