基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim仿真

　　0 引言

　　蓄能器是液压系统中的一种能量储存装置,主要用于作辅助动力源。蓄能器按照加载方式的不同可以分为重力加载式、弹簧加载式和气体加载式3大类。重力加载式在输出液体的过程中可以得到恒定的液体压力,但是体积大,非常笨重[1]。弹簧式和气体式蓄能器都有一个共同的特点,就是输出压力由蓄能器中液体的容积决定,在释能的过程中压力随着液体的输出而降低,常用的气囊式蓄能器压力变化是非线性的。这样,在需要压力由低到高或者恒压以及其它要求精确控制输出压力的系统中,压力控制成为应用蓄能器的关键问题[2]。本文将详细介绍的蓄能器压力的压差控制方法就是这一问题的很好的解决方案。AMESim作为非常优秀的仿真软件,为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方案。AMESim非常适合液压传动及控制系统与元件的建模,为液压技术的创新研究和设计分析提供了很好的仿真平台[3-4]。本文应用AMESim对蓄能器压力控制进行了系统建模,得到了合理的设计计算和满意的仿真结果。

　　1 气囊式蓄能器的压力特性

　　这里着重研究常用的气囊式蓄能器的压力控制,该控制方法对其它种类的蓄能器也适用。气囊式蓄能器的工作原理:利用气体的可压缩性,靠封闭气体的弹性变形储存和释放能量。当进入蓄能器中的油液压力升高时,蓄能器气囊内的气体受压缩体积变小,储存能量,同时蓄能器内的油液体积增大。当蓄能器内油液压力降低时,气囊内气体膨胀,释放能量,同时把油液挤出蓄能器。通常,气体的压力与体积的关系可用下式描述:

　　式中,p、Vg分别为气体的压力和体积,指数n在不同的过程下有不同的取值[5],一般等温过程取1,绝热过程取1.4。当蓄能器中的液体体积为Vf,蓄能器总容积为V₀时,

　　Vg=V₀-Vf 　　(2)

　　则有

　　p(V₀-Vf)ⁿ=Const 　　(3)

　　图1所示为蓄能器压力与充液体积的关系曲线。若蓄能器预充气压力为10MPa,总容积为20L,蓄能器的压力p随充入油液体积Vf的变化而变化,蓄能过程压力非线性地由低到高上升,释能过程压力非线性地由高到低下降。

　　2 蓄能器压力控制

　　当所需压力pL与蓄能器压力p_A不同时,就必须对蓄能器进行压力调节。对于一般的压力变化,如恒压、降压过程等,通常的压力控制是使用减压阀,其回路简图如图2所示。这种控制方法的压力调节受减压阀性能限制,压力差(p_A-p_L)需在减压阀工作范围内。而且,减压阀使用时会来很大的节流损失和液压系统的发热。若(p_A-pL)较大,减压阀可能无法满足调压要求,例如图3所示的压力变化, pL由1MPa上升到30MPa,而pA在释能过程中由50MPa下降到32MPa,这样就在一开始需要使压力控制阀产生近50MPa的压降,这种情况下,使用减压阀进行蓄能器压力控制就很难达到满意的效果。