基于AMESim的A4VG变量泵动态特性分析

基于AMESim的A4VG变量泵动态特性分析

基于AMESim的A4VG变量泵动态特性分析

2011-11-15 15:54:54 作者：孙东坡王建明张戈魏海洲来源：

本文介绍了对在大吨位履带起重机液

压系统中广泛应用的A4VG主泵工作原理及内部结构进行深入分析，建立A4VG主泵详细的AMESim仿真模型，分析动态变化过程中伺服阀芯及排量调节缸的动作过程，实验结果验证了仿真模型的正确性。

0 引言

采用先进的数字化样机技术进行产品开发，可以提高产品开发效率、节约成本。重要部件的仿真模型是整机数字化样机的重要组成部分，它的准确与否直接影响整机数字化样机的质量。

A4VG系列泵是德国力士乐公司生产的变量泵，在大吨位履带起重机中得到广泛的应用。本文通过对A4VG250EP4变量泵调节机构的深入分析，结合泵调节机构内部结构建立其AME Sim仿真模型，对其动态性能进行仿真分析及实验研究，保证主泵模型的准确。

1 A4VG变量泵原理及结构

1.1 A4VG泵工作原理

A4VG250EP4变量泵液压原理如图1所示。其由伺服阀、变量调节缸、柱塞、斜盘、单向溢流阀及压力切断阀等组成。其中由伺服阀和变量调节缸等组成的变量调节机构决定了主泵的动态响应。

图1 A4VG250EP4变量泵液压原理图

由图1可知，a、b两端比例电磁铁电流的大小决定了伺服阀打开的方向及开口度，通过控制伺服阀开口可以改变变量活塞的位移，进而改变泵斜盘的倾角，达到变量的目的。该系统是力反馈式闭环控制回路，具有结构紧凑，响应快速等优点，且便于远程控制。

1.2 A4VG泵内部结构及工作过程

伺服变量机构内部结构图如图2所示，该变量机构主要由两端比例电磁铁、伺服阀芯、杠杆、拨叉及排量调节弹簧缸等组成。

图2 伺服变量机构内部结构及工作过程图

其工作过程如图2所示。当右边电磁铁得电时电磁力推动伺服阀芯向左运动打开伺服阀阀口，同时推动拨叉向左张开，此时拨叉上弹簧力与电磁力平衡(如图2(a)示);伺服阀芯的运动使得排量调节弹簧缸右腔与伺服压力相连，在伺服压力的作用下排量调节缸活塞杆向左伸出实现变量，同时在杠杆的作用下推动拨叉进一步向右张开，此时拨叉上弹簧力大于电磁力(如图2(b)示);在弹簧力的作用下拨叉左半边向中闭合，同时推动伺服阀芯复位(如图2(c)示)，此时拨叉上的弹簧力与电磁推力平衡，排量调节缸的液压力与弹簧力平衡，排量调节缸的活塞杆稳定在特定伸出位置(即泵稳定工作在某一排量下)直到电流产生变化;当右边电磁铁失电时，在弹簧力的作用下拨叉的左半边推动伺服阀芯向右运动，弹簧恢复至初始长度，使得排量调节缸右腔与T 口相连(如图2(d)示);在排量调节缸弹簧力的推动下活塞杆回到初始位置(即泵的排量为0)，同时在杠杆的作用下推动拨叉张开(如图2(e)示)，此时拨叉上弹簧力大于电磁阀推力;拨叉在弹簧力的作用下复位，同时推动伺服阀芯复位(如图2 (f)示)。

由力士乐零部件图册可以得出调节机构内部结构及尺寸。伺服阀结构及尺寸、拨叉各力作用点距离、杠杆各力作用点距离等信息可以由图3得到;排量调节弹簧缸结构及尺寸如图4所示。

图3 伺服阀、拨叉及杠杆结构尺寸

图4 排量调节弹簧缸结构及尺寸

2 A4VG变量泵数字样机模型

根据前文对伺服变量机构工作过程及其结构尺寸的分析，下面在液压仿真软件AMESim 中搭建调节机构的仿真模型。

拨叉机构可以用两个杠杆机构模拟，但是在拨叉的任一侧杆上都有三个不同的力作用点(弹簧力作用点、杠杆力作用点和伺服阀力作用点)，且拨叉工作时杠杆力和伺服力分别作用于拨叉两侧。为了利用AMESim机械库已有模型简化系统建模，杠杆与拨叉机构需做等效处理，把杠杆与拨叉左右两边的接触点等效到拨叉与伺服阀芯接触点处(等效前后结构如图5示)。这样拨叉的两侧就可以用有两个力作用点的杠杆模拟。

图5 杠杆力作用点等效处理前后对比

基于以上分析，利用AMESim HCD库、信号库及机械库元件搭建调节机构系统仿真模型如图6示。端口1为排量调节缸伸出位移量，用于调节柱塞泵斜盘倾角，端口2为伺服压力输入口，端口3、4为比例电磁铁电流输入口。模型中伺服阀、变量缸、杠杆及拨叉等部分结构尺寸均由力士乐零部件图给出。

图6 伺服变量机构仿真模型

将伺服变量机构仿真模型作为子模型，搭建A4VG变量泵详细液压仿真模型如图7示。

图7 A4VG变量泵详细液压仿真模型

3 仿真分析与实验验证

按照图2动作过程，0s时在b端加600MA 阶跃电流待调节机构稳定后b端电流变为0，图8、图9分别为伺服阀芯及排量调节油缸位移量变化曲线。

图8 伺服阀芯位移变化过程

图9 排量调节油缸位移变化过程

由图8可知，在b端电流激励下阀芯先向左运动，并在杠杆拨叉机构的反馈调节作用下回到初始位置，电流消失时，在拨叉弹簧力作用下向先右运动，杠杆拨叉机构的反馈调节作用下回到初始位置。由图9可知，阀芯向左运动时调节油缸伸出，阀芯复位时保持其伸出状态，直到b 端电磁铁失电，油缸右腔与T口相连时调节缸活塞在弹簧力作用下复位。伺服阀芯与排量调节油缸位移变化的仿真结果与前文分析一致。

为验证A4VG250EP4主泵仿真模型的正确性，在液压综合实验台上进行泵的动静态性能测试(如图10所示)，其中泵的效率等测试量作为

仿真模型的输入参数，其流量等动态性能作为模型校验数据。图11为500MA电流下泵流量动态响应的实验曲线及仿真曲线对比。仿真及实验曲线的对比表明仿真模型是正确的。主泵系统响应有一定的延时，但稳定，无震荡。

图10 A4VG250EP4泵测试综合实验台

图11 500MA电流下泵流量动态响应的实验曲线及仿真曲线对比

4 结论

本文深入的分析了A4VG泵的内部结构及排量调节过程，建立了泵详细的仿真模型，对其排量调节过程进行仿真分析，对泵的动静态特性进行实验研究，仿真研究结果与实验情况基本一致,说明主泵的仿真模型是正确的。