管道配置对阀控缸液压系统动态特性的影响

　　0 前言

　　管道作为液压系统的辅件,是液压系统的重要组成部分。在系统中,管道不仅起着连接液压泵与液压控制阀、液压控制阀与执行器的作用,而且具有传递系统能量和信号的功能。由于工程机械和液压装置向大型化、复杂化、自动化方向发展,控制阀与液压缸之间的距离越来越远,如常见的液压起重机,就是典型的实例。此外,对于一些精密液压机械,虽然管道长度不是很长,但由于系统控制精度和整机性能的要求,需要最大限度的提高系统动态性能,减小管道对系统造成的不利影响,合理配置管道参数。

　　实践证明,管道对于动态特性有着广泛的影响,太长的管道会产生振动、噪声、发热及工作效率低下,严重影响系统动态特性,所以必须深入研究,使其影响降到最小;而对于精密液压机械而言,则需要合理配置管道参数,最大效率地提高系统性能。笔者以阀控缸伺服液压系统作为研究对象,运用AMESim软件进行数值仿真,对考虑管道影响的阀控缸液压系统进行了研究。

　　1 流体管道的瞬态特性分析

　　流体管道是一个分布参数系统,其精确模型中含有复杂的贝赛尔函数和双曲函数^[1],这给模型的解析和应用带来很大的困难。因此,一般在液压系统动态特性分析时,要么忽略管道动态特性的影响,要么将管道当作一个容腔来处理^[2]。管道的分布参数模型的近似数学模型主要有三种类型:集中参数模型、分布参数模型和有限分段集中参数模型。其中分布参数模型在理论上比较精确,但数学处理比较复杂,是处理管路的常用方法。

　　对管内非恒定流动的时域特性分析,一般称为管道瞬态特性分析。圆管内一维非恒定流动的数学模型可由动量方程和连续性方程求得:

　　式中:Q为流量; p为压力; A为圆管的截面积;Q为流体密度; a为考虑管壁变形时的压力波传递速度。

　　式(1)和式(2)即为管内非恒定流的基本方程,又称波动方程,因为在一般的流体管道中,有a>>v (管道中流体轴向平均速度, v=Q /A),因此式(1)和(2)中的第二项均可舍去,波动方程可写为

　　基本方程中压力p和流量Q是因变量, x和t是自变量, f(Q)是非线性的摩擦项。

　　对于式(3)如果考虑管道的流体惯量和层流以及紊流管道摩擦、相对粗糙度和雷诺数的影响,用动量守衡定律可得:

　　式中:ρ为密度; A为管道的横截面; D为管道直径;θ为管道的倾角; f_f为摩擦因数。

　　在式(4)中令ρ_a²=B,记为流体管道的综合有效体积弹性模量,该值考虑了液体的可压缩性和管壁受压膨胀的效应,方程(4)可写为: