摘 要：以小型液压挖掘机为仿真样本，分析了液压挖掘机的正流量系统的工作原理，根据实际的液压元件参数，利用AMESim软件的HCD液压元件库，构建多路换向阀和正流量泵的模型及挖掘机液压系统仿真模型，并对其仿真结果进行分析。对比了定量泵系统和正流量系统的流量损失，验证了正流量系统的节能性，证明建立的仿真模型的有效性。
关键词：液压挖掘机；AMESim；正流量

　挖掘机是土石方开挖的主要工程机械，在能源、交通、农田水利、城镇建设，以及现代化军事工程等领域发挥着重要作用，其国内拥有量越来越大[1]。挖掘机作为一种大功率工程机械，其节能性也一直是国内外工程机械生产企业追求的主要目标之一。目前国内外挖掘机采用的节能系统主要有负流量系统、正流量系统、负荷敏感系统等，许多高校和研究机构对各个系统的节能性都作出了研究。
　目前国内工程机械研究人员多采用Matlab软件，依靠传统的微分和差分方法对复杂的液压系统进行建模分析，但这大大增加了建模的难度，而且并不能很好地模拟实际运作状态。由法国IMAGINE公司研制开发的AMESim软件给工程机械用户提供了标准模型库和基本元件设计库，极大地方便了液压系统的建模，为研究缩短了周期。本文利用该软件对挖掘机的正流量系统进行仿真研究[2]。
1 挖掘机正流量系统的工作原理
　正流量系统在上世纪70年代用于挖掘机液压系统中，主要目的在于用容积调速代替节流调速，从泵源实现节能。其原理如图1所示，先导压力信号一方面控制主阀阀芯的位移，即控制通向执行器的流量；另一方面传送给变量泵的调节机构来控制泵的排量[3-5]。这样就可以近似保证液压泵提供的流量与主控阀的通流面积成正比。当先导压力信号为零时，主阀阀芯处于中位。此时变量泵的斜盘角也达到最小，仅排出很小的流量，通过旁路节流回路流回油箱；当先导压力不断增加时，主阀阀芯逐渐向左位切换，阀口P与B、T与A逐渐导通。与此同时变量泵的斜盘角也随之增大，增加流量满足系统的需求。

　系统中正流量变量泵结构及原理如图2所示，X1点为多路换向阀的先导压力信号点，A/B为多路换向阀阀口信号点，X3、Y3为系统外加压力信号点，A1为系统其他阀阀口信号点，R、U、S、T1为系统回油信号点。
正流量变量泵的控制原理：多路换向阀（图2中未画出）的先导压力信号通过X1信号点引入到正流量控制阀1的右端。当先导压力为零时，多路换向阀阀芯位移为零，正流量控制阀1工作在左位，泵输出的压力油通过单向阀、正流量控制阀1的左位、压力切断阀3的左位、LR功率控制阀2的左位流至活塞缸的无杆腔，推动活塞向左移动，使泵的排量调至最小；当先导压力逐渐增加时，多路换向阀阀芯移动，系统负载流量需求逐渐增加，此时正流量控制阀阀芯逐渐切换至右位，压力油通过单向阀进入活塞缸的有杆腔，推动活塞向右移动，使泵的排量增加，而无杆腔的液压油则通过压力切断阀3的左位、LR功率控制阀2的左位、正流量控制阀1的右位流回油箱。

2 挖掘机正流量系统的建模
　整个系统主要由正流量变量泵、多路换阀、液压缸、溢流阀等组成，下面将对主要元件进行分析，并确定参数建立相应的仿真模型。
2.1多路换向阀的建模
　本文研究的多路阀为三位六通的液压先导式换向阀。它的原理是通过先导油液压力推动多路阀阀芯来改变各个油路的通断状态从而控制油液的流通方向和流量。
　根据三位六通阀的工作原理，利用AMESim软件提供的HCD库中合适的组件构建出系统的多路换向阀，如图3所示。

　多路换向阀的主要参数为：阀芯重量为0.1 kg，弹簧的弹性系数为30 N/mm，弹簧的预紧力为30 N。多路阀阀口的面积特性对于建立多路换向阀模型是必不可少的，阀口面积特性由txt文本参数写入模型，阀口面积特性如图4所示。

　图6为液压挖掘机正流量系统的AMESim模型，系统主要参数为：液压缸活塞行程为800 mm，缸径为70 mm，活塞杆径为50 mm。
3 正流量系统的仿真结果分析
　液压挖掘机的正流量系统的原理是先导压力直接

　仿真中，给先导压力加以0~40 bar的斜坡信号，得到图8和图9的仿真结果。图8中通过设定正流量控制阀不同的弹簧预紧力得到不同的排量调节曲线，泵的排量变化正比于泵的先导压力和阀芯位移，正确地反映了正流量泵的排量调节特性。阀PA口的开口面积随着阀芯位移的增加而增大。正流量系统减少了过剩的流量损失，具有明显的节能效果。

　图9中的曲线1和曲线2分别为定量泵系统和正流量系统的流量损失随阀芯位移的变化曲线。可以看出系统主要的流量损失是由于从0~5 s时多路阀PO阀口打开，油液直接流回油箱所造成的，而正流量系统在这段时间内由于泵的排量受先导压力的控制，泵的流量相应减小，流量损失明显低于定量泵系统，体现了正流量系统良好的节能性。

　利用AMESim图形化的建模方法对挖掘机液压系统进行仿真，避免了繁琐的公式推导，显示了AMESim是一个方便、高效、直观的动态系统建模和仿真分析工具。
　本文通过建立挖掘机正流量系统的AMESim模型，得出仿真结果表明：（1）正流量系统的泵的排量正比于主阀的先导压力和阀芯位移；（2）通过设定正流量控制阀不同的弹簧预紧力，得到泵不同的排量调节特性，证明了所建模型的正确性；（3）正流量变量泵的排量与多路换向阀阀口开度相适应，减少了流量损失，具有明显的节能效果，为后续的研究提供仿真平台。
参考文献
[1] 王涛，陶薇.基于AMESim的液压挖掘机运动及控制仿真[J].金属矿山，2008（10）：92-96.
[2] 冀谦.基于AMESim的小型液压挖掘机液压回路仿真研究[J].机械研究与应用，2009（5）：42-44.
[3] 张栋.基于功率匹配的挖掘机节能控制技术的研究[D].长春：吉林大学，2005.
[4] 冯双昌.挖掘机工作装置液压系统的动态特性的建模与仿真研究[D].贵阳：贵州大学，2007.
[5] 韩慧仙，曹显利.挖掘机正流量液压系统的控制性能分析[J].机床与液压，2012（8）：100-102.