摘  要： 以小型液壓挖掘機為仿真樣本，分析了液壓挖掘機的正流量系統的工作原理，根據實際的液壓元件參數，利用AMESim軟件的HCD液壓元件庫，構建多路換向閥和正流量泵的模型及挖掘機液壓系統仿真模型，并對其仿真結果進行分析。對比了定量泵系統和正流量系統的流量損失，驗證了正流量系統的節能性，證明建立的仿真模型的有效性。
關鍵詞： 液壓挖掘機；AMESim；正流量

　挖掘機是土石方開挖的主要工程機械，在能源、交通、農田水利、城鎮建設，以及現代化軍事工程等領域發揮著重要作用，其國內擁有量越來越大[1]。挖掘機作為一種大功率工程機械，其節能性也一直是國內外工程機械生產企業追求的主要目標之一。目前國內外挖掘機采用的節能系統主要有負流量系統、正流量系統、負荷敏感系統等，許多高校和研究機構對各個系統的節能性都作出了研究。
　目前國內工程機械研究人員多采用Matlab軟件，依靠傳統的微分和差分方法對復雜的液壓系統進行建模分析，但這大大增加了建模的難度，而且并不能很好地模擬實際運作狀態。由法國IMAGINE公司研制開發的AMESim軟件給工程機械用戶提供了標準模型庫和基本元件設計庫，極大地方便了液壓系統的建模，為研究縮短了周期。本文利用該軟件對挖掘機的正流量系統進行仿真研究[2]。
1 挖掘機正流量系統的工作原理
　正流量系統在上世紀70年代用于挖掘機液壓系統中，主要目的在于用容積調速代替節流調速，從泵源實現節能。其原理如圖1所示，先導壓力信號一方面控制主閥閥芯的位移，即控制通向執行器的流量；另一方面傳送給變量泵的調節機構來控制泵的排量[3-5]。這樣就可以近似保證液壓泵提供的流量與主控閥的通流面積成正比。當先導壓力信號為零時，主閥閥芯處于中位。此時變量泵的斜盤角也達到最小，僅排出很小的流量，通過旁路節流回路流回油箱；當先導壓力不斷增加時，主閥閥芯逐漸向左位切換，閥口P與B、T與A逐漸導通。與此同時變量泵的斜盤角也隨之增大，增加流量滿足系統的需求。

　系統中正流量變量泵結構及原理如圖2所示，X1點為多路換向閥的先導壓力信號點，A/B為多路換向閥閥口信號點，X3、Y3為系統外加壓力信號點，A1為系統其他閥閥口信號點，R、U、S、T1為系統回油信號點。
正流量變量泵的控制原理：多路換向閥（圖2中未畫出）的先導壓力信號通過X1信號點引入到正流量控制閥1的右端。當先導壓力為零時，多路換向閥閥芯位移為零，正流量控制閥1工作在左位，泵輸出的壓力油通過單向閥、正流量控制閥1的左位、壓力切斷閥3的左位、LR功率控制閥2的左位流至活塞缸的無桿腔，推動活塞向左移動，使泵的排量調至最小；當先導壓力逐漸增加時，多路換向閥閥芯移動，系統負載流量需求逐漸增加，此時正流量控制閥閥芯逐漸切換至右位，壓力油通過單向閥進入活塞缸的有桿腔，推動活塞向右移動，使泵的排量增加，而無桿腔的液壓油則通過壓力切斷閥3的左位、LR功率控制閥2的左位、正流量控制閥1的右位流回油箱。

2 挖掘機正流量系統的建模
　整個系統主要由正流量變量泵、多路換閥、液壓缸、溢流閥等組成，下面將對主要元件進行分析，并確定參數建立相應的仿真模型。
2.1多路換向閥的建模
　本文研究的多路閥為三位六通的液壓先導式換向閥。它的原理是通過先導油液壓力推動多路閥閥芯來改變各個油路的通斷狀態從而控制油液的流通方向和流量。
　根據三位六通閥的工作原理，利用AMESim軟件提供的HCD庫中合適的組件構建出系統的多路換向閥，如圖3所示。

　多路換向閥的主要參數為：閥芯重量為0.1 kg，彈簧的彈性系數為30 N/mm，彈簧的預緊力為30 N。多路閥閥口的面積特性對于建立多路換向閥模型是必不可少的，閥口面積特性由txt文本參數寫入模型，閥口面積特性如圖4所示。

　圖6為液壓挖掘機正流量系統的AMESim模型，系統主要參數為：液壓缸活塞行程為800 mm，缸徑為70 mm，活塞桿徑為50 mm。
3 正流量系統的仿真結果分析
　液壓挖掘機的正流量系統的原理是先導壓力直接

　仿真中，給先導壓力加以0~40 bar的斜坡信號，得到圖8和圖9的仿真結果。圖8中通過設定正流量控制閥不同的彈簧預緊力得到不同的排量調節曲線，泵的排量變化正比于泵的先導壓力和閥芯位移，正確地反映了正流量泵的排量調節特性。閥PA口的開口面積隨著閥芯位移的增加而增大。正流量系統減少了過剩的流量損失，具有明顯的節能效果。

　圖9中的曲線1和曲線2分別為定量泵系統和正流量系統的流量損失隨閥芯位移的變化曲線。可以看出系統主要的流量損失是由于從0~5 s時多路閥PO閥口打開，油液直接流回油箱所造成的，而正流量系統在這段時間內由于泵的排量受先導壓力的控制，泵的流量相應減小，流量損失明顯低于定量泵系統，體現了正流量系統良好的節能性。

　利用AMESim圖形化的建模方法對挖掘機液壓系統進行仿真，避免了繁瑣的公式推導，顯示了AMESim是一個方便、高效、直觀的動態系統建模和仿真分析工具。
　本文通過建立挖掘機正流量系統的AMESim模型，得出仿真結果表明：（1）正流量系統的泵的排量正比于主閥的先導壓力和閥芯位移；（2）通過設定正流量控制閥不同的彈簧預緊力，得到泵不同的排量調節特性，證明了所建模型的正確性；（3）正流量變量泵的排量與多路換向閥閥口開度相適應，減少了流量損失，具有明顯的節能效果，為后續的研究提供仿真平臺。
參考文獻
[1] 王濤，陶薇.基于AMESim的液壓挖掘機運動及控制仿真[J].金屬礦山，2008（10）：92-96.
[2] 冀謙.基于AMESim的小型液壓挖掘機液壓回路仿真研究[J].機械研究與應用，2009（5）：42-44.
[3] 張棟.基于功率匹配的挖掘機節能控制技術的研究[D].長春：吉林大學，2005.
[4] 馮雙昌.挖掘機工作裝置液壓系統的動態特性的建模與仿真研究[D].貴陽：貴州大學，2007.
[5] 韓慧仙，曹顯利.挖掘機正流量液壓系統的控制性能分析[J].機床與液壓，2012（8）：100-102.