基于SimulationX的多路阀负载补偿阀建模分析

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2013年第l0期 液压与气动DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2013．10．003基于 SimulationX的多路阀负载补偿阀建模分析葛 磊，赵 虎，权 龙Modeling and Analysis of Load Compensation for Multi—wayValue With SimulationXGE Lei，ZHAO Hu，QUAN Long(太原理工大学 机械电子工程研究所 ，山西 太原 030024)摘 要：为研究与压力无关的流量分配系统(简称 LUDV)中负载补偿阀的特性，在对 LUDV系统深入研究的基础上，介绍了压力补偿阀在液压系统中的作用。在 Simu]LationX环境下建立了仿真模型，并研究了负载补偿阀芯的节流槽型式及负载敏感油腔(Ls腔)有无弹簧对响应速度的影响。结果表明，使用三角U形槽组合槽在响应速度和响应开始时间都较好；在 Ls腔添加弹簧一定程度上能影响响应扰动情况，但会降低响应速度 。

关键词：LUDV；负载补偿阀；多路阀；SimulationX；节流槽；仿真中图分类号：TH137；TH122 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0011-04引言近年来与压力无关的流量分配系统(简称 LUDV)越来越广泛地应用于液压挖掘机中。在 LUDV系统中主要通过负载敏感泵、带负载补偿的多路阀来搭建系统。其中通过带阀后负载补偿的多路阀来解决在其他控制系统(如 Ls控制系统)中存在的流量饱和及负载不均衡时存在的流量分配问题。

在 LUDV系统中，多路阀担任着重要的流量分配任务，它可实现在多缸联合动作时依靠补偿阀芯补偿多缸的压力不同并联合负载敏感泵，实现各联节流阀前后压差均保持在设定的相等值，进而保证多路阀各联通流量只与阀芯位移相关，而与各联负载无关。

当前国内学者主要对负载补偿阀芯的节流槽通流公式及相关动态特性作了较多的研究。在总结前人经验基础上，本研究结合 SimulationX软件对负载补偿阀芯进行建模分析，主要分析节流槽作用及对节流槽型式进行改进对比分析。

1 多路阀工作原理液压挖掘机使用多种型式的多路阀来完成液压系统的搭建 ，现今挖掘机械上，常用常规系统、LS系统、LUDV系统以及学者们主要研究的进出口独立控制系统。常规控制系统为了规避复合动作流量分配不均等问题，液压系统及阀都比较复杂；LS系统使用阀前补偿解决流量分配问题，但在流量饱和时仍会存在不均等分配；LUDV系统很好地解决了多负载复合动作及流量饱和工况下的流量分配问题。

多路阀结构如图 1所示。

多路阀在分析中，通常可以简化为换向阀和负载补偿阀，如图 1a多路阀液压原理图所示。在某些多路阀中，使用梭阀网络检测出最大压力，而在本研究中所用多路阀，直接将Ls各腔连通，而不再使用梭阀进行压力检测。

在：[作时，主阀芯左右移动沟通 A、B与 P、T的连接，当中位时油腔互不相通，负载补偿阀芯位于最下方，当单联主阀芯移动时，负载补偿阀2上腔开始时没有压力，在下腔压力油的作用下抬起，不起负载补偿作用。当多负载工作时，由于 LS腔两两相通，负载补偿阀芯上腔压力相等且为最大负载压力。

负载补偿阀芯受力分析如图2所示。

收稿 日期：2013-04．15作者简介：葛磊(1987一)，男，山东菏泽人，硕士研究生，主要研究方向为液压挖掘机系统设计及分析。

12 液压与气动 2013年第 l0期f? L-囱‘? 一a)多路阀液压原理图4b)多路阀三维模型1．阀芯 2．负载保持阀 3．压力补偿器 4．二次安全阀图 1 多路阀结构图图 2 两联负载补偿阀芯受力分析根据压力补偿阀上的受力，列出平衡方程：fP l·A + ：PLs·A + 十 G【pm2。 +A =PLS·A十 十G若忽略液动力，则：P 1‘A = PLs·A +G =pm2·A即P l=P。¨2由于负载补偿阀芯上腔压力油直接相通，故压力相等，又根据公式推导，阀芯下腔压力近似相等，则对于任意多联负载，节流槽两端的压力差保持相等，即对于任意多联，流量只与主阀芯位移有关，而与负载大小无关 。

2 仿真建模由于计算机仿真技术的发展，越来越多的液压动态仿真软件出现在研究人员面前。SimulationX为一款多学科仿真软件，使用 modelic物理建模语言，将每个参量或节点计算，都抽象为势和流，极可能地将物理现象抽象为与真实数据相仿的模型。其具有友好的工作界面，结合各学科不同特点，将大家公认的简化模型作为元件外观，对新学者而言更易掌握。

SimulationX提供多种元件库，包括信号学库、机械学库、液压学库、电子学库、电磁学库等。液压元件中也提供了丰富的基础模型，包括动力元件 、阀件、传感器、管道等。

在 SimulationX中建立液压模型，一般有以_卜【几J个步骤：(1)确定要分析的参数，简化物理模型，尽可能真实地还原物理模型；(2)按简化模型，在软件元件库中拉取元件；(3)建立数学模型并调整元件参数；(4)仿真分析，分析仿真结果。

本研究根据多路阀负载补偿阀芯的原理、结构及力学分析，在SimulationX中建立仿真模型，如图3所示。

图 3 压力补偿阀模型本研究主要使用仿真软件提供的液压学库和机械学库中的 白有模型及利用 TypeDesigner新建 自建模型，并将实际的LUDV多路阀负载补偿阀的测绘数据导人元件模型。软件仿真环境及负载补偿阀芯具体参数如表 1所示。

表 1 仿真的主要参数模块 参量 值工作温度／℃ 40仿真环境液压油型号 HLP46阀芯质量／g 28阀芯直径／mm 15阀芯参数P—LS遮盖／mm 1．5P—A遮盖／ram 4另外在研究中，针对负载补偿阀芯的节流槽进行了过流面积的计算，并在 SimulationX中进行数学方程一2013年第 10期 液压与气动 l3的建模，将计算结果导人模型中。如图2中所示，研究使用的负载补偿阀阀芯节流槽有两种型式，分别为双u形组合槽和简单 u形槽。

u形槽计算说明：u形槽的计算参量为圆弧槽直径a、槽底高 ．，、槽总长 d。各参数表示涵义如图4所示。

截面图4 U形槽计算说明。 = √(詈)。一(号一 ) =： √R 一(芋)s投影=( a)2aretan 一 (詈一 )5截面 ：R2arctan ax + 一 ．，S ： —：=二／上 上 、^
s 影 。s面式中：a 为行程为 时截面宽度； 为行程为 时截面高度；S投影为行程为 时投影的面积；S截面为行程为时截面的面积；S为行程为 时阀芯过流面积。

在 SimulationX利用 TypeDesigner对信号块f( )进行二次开发，编辑相关函数，输出结果为过流面积，在结果输出窗口中，将过流面积与阀芯位移的关系导出为 txt数据格式，并调用液压元件库中的二位二通阀，设置过流面积，如 图5所示图5 二位二通阀过流面积设置3 仿真分析SimulationX各模块由相关专业人士根据大量实验及工程数据建立，其模型准确度是可信的，因此基于该软件i 建模在保证 自建模型准确度、精确度的前提下，分析是可信的。

研究多路阀负载补偿阀的补偿特性应该将至少两联联立起来，这样可以比较完整地分析负载补偿阀的补偿特性。因此本研究选取两联多路阀的负载阀芯进行建模3．1 补偿阀节流槽型式对负载补偿特性的影响液压阀一般都在阀芯上开设不同型式的节流槽来完成可控的通流量，常见的节流槽型式有三角槽、u形槽、半圆槽及多级组合槽。本研究使用的负载补偿阀有两种： 流槽，分别为 U形槽、双 U形槽。不同的节流槽有其不同的功用，因此本研究就负载补偿阀的节流槽进行了相关研究与对比。

在一般设置不变只改变负载补偿阀的节流槽型式的情况下，对负载补偿响应情况进行相关研究。

研究使用的多路阀负载补偿阀具有六个节流槽 ，以下分析皆保证节流槽个数不变。

图6示 p1表示第一联、p2表示第二联。4U表示4个 U形槽 2个双 U形槽，6U表示 6个 U形槽，6trU表示6个三角槽与 U形槽的组合槽，btrU表示比trU三角槽段参数大的组合槽。

从图6各图综合可以看出 4个 U形槽两个双 U形槽组合槽响应速度要优于其他节流槽型式，但是响应开始时间较差。4个 U形槽两个三角U形槽组合槽响应速度和开始时间要优于 4个 U形槽两个双 U形槽组合槽。另外对于6个三角 U形组合槽，适当增大三角槽的参数可以提高响应速度，但开始响应阶段扰动较大。

3．2 阀芯上腔有无弹簧对响应的影响在机械系统中常用弹簧来改变系统的控制特性，弹簧可以很好地降低系统扰动，增加系统 的刚性。

LUDV多路阀中，SX12型多路阀负载补偿阀腔内没有使用弹簧，但在 M6型中又使用了弹簧，因此为了探究弹簧对负载补偿阀影响，本研究调用软件机械元件库中弹簧，其他参数保持不变，仿真结果如图7所示。

如图7a所示添加弹簧时，系统达到稳定控制压力的时间变长，但是响应开始时间会提前，且随着弹簧劲度系数的增加，达到稳态的时间增加，但会降低响应开始时间。因此在某些要求快速响应但对达到稳态时间要高度要求的时候，可以在负载补偿阀腔添加适当劲度系数的弹簧。

液压与气动 2013年第l0期3．532．521．5l0．50∥sa)u形槽与双u形组合槽LS响应曲线3．532．5磊 21．510．50∥sb)u形槽与三角槽u形组合槽Ls响应曲线t／se)不同参数的三角槽Ls响应曲线图6 不同节流槽对 LS响应的影响对比4 结论本研究对 LUDV系统使用的多路阀中的压力补偿阀进行了结构及工作原理分析，在建立数学模型的基础上，在SimulationX中建立了负载补偿阀的模型。仿真分析结果表面使用 4个 u形槽 2个双 u形槽组合槽在整个综合性能上来看，响应速度较快，而使用三角u形槽组合槽在响应速度和响应开始时间都较好。通过在负载补偿阀上腔(即 LS腔)中添加弹簧，对比分析了弹簧对负载补偿特性的影响：有弹簧能降低响应开始时间，且弹簧劲度系数越大影响越大。

t／sa)有弹簧劲度系数为20 N／mmb)不同弹簧劲度系数Ls响应曲线对比图7 弹簧对响应速度的影响参考文献：[1] 冀宏，王东升，刘小平，等．滑蒯节流槽 口的流量控制特性[J]．农业机械学报 ，2009，40(1)：198—202.

[2] 孙后环，徐海涵，贾文华，等．液压阀V—u及u—u形节流槽特性研究[J]．液压与气动，2012，(11)：74—76.

[3] 陈欠根，纪云锋 ，吴万荣，等．负载独立流量分配(LUDV)控制系统[J]．液压与气动，2003，(Jo)：10—11，9.

[4] HE Qing—hua，HAO Peng，ZHANG Da—qing，et a1．Modelingand parameter estimation for hydraulic system of excavator'sarm[J]．Journal of Central South University of Technotogv，2008，15(3)：382—386.

[5] 张海涛，何清华，施圣贤，等．LUDV负荷传感系统在液挖掘机上的应用[J]．建筑机械 ，2004，(1O)：61—63.

[6] 郭勇，彭勇，过新华 ，等．运用 ADAMS和 AMESim联合仿真的LUDV液压系统动态特性分析[J]．现代制造 I：程，2010，(7)：30～34.

[7] 于兰英 ，黄亮，柯坚，等．LUDV控制系统的负载特性研究[J]．机械制造与自动化，2012，41(4)：120—122.

[8] 世冠科技 (北京)有限公司．多学科领域建模仿真平台SimulationX[J]．CAD／CAM与制造业信息化，201 1，(1)：23—30.

[9] 刘宝生．SimulationX多学科建模和仿真工具 [J J．CAD／CAM与制造业信息化，2009，(9)：34—36.

[10] 何彦海．基于 SimulationX的液压挖掘机仿真研究 [J].

机械工程与自动化，2010，(6)：159—160.

[11] 严桃平．调速阀的两种常见结构分析及选用[J]．机床与液压，2010，38(12)：124.

[12] 李鄂民．用节流阀和调速阀的节流调速 吲路的速度一负载特性对比[J]．液压与气动，2005，(3)：42—43.

[13] 牛越胜，张圣峰 ，徐兵，等．LUDV多路阀中压 力补偿 阀的仿真分析[J]．机电工程 ，201l，28(8)：914—917，923.