工程机械液压系统动态性能试验台的仿真模型搭建及
仿真验证研究
马群博
（唐山盾石电气有限责任公司，河北省唐山市063020）
摘要：本文成功搭建了液压系统动态性能试验台的仿真模型，并与物理试验系统进行了仿真验证，其研究成果进一步完善将可运用于工程机械液压系统动态性能的仿真及半物理仿真研究，并为指导液压系统性能试验台的改进、优化提供理论基础，这种研究方法对推广到其它工程领域液压系统性能试验的研究具有重要的指导意义。 关键词：工程机械；液压系统；动态性能；EASY5；仿真分析i
研究和开发通用化的液压系统动态性能试验台，对液压元件或系统进行性能测试，在液压系统设计、分析和改进中具有十分重要的价值。将仿真技术引入液压系统试验研究可以减少物理试验中花费的人力、物力和财力，并能在试验前对被试验的系统进行预测及方案优化。运用计算机仿真技术对液压系统进行分析具有重要的现实意义，在许多液压技术应用场合，如果设计人员在设计阶段就考虑到液压系统的动静态特性，就可以缩短液压系统或元件的设计时间，避免重复试验和加工带来的损失，提前了解系统在动静态特性方面存在的问题并加以改进。同时，还可以对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的。
建立试验平台的仿真模型，可实现计算机仿真而不需要做试验就可以预测液压系统的实际动态特性，还可根据不同型号工程机械液压系统的试验测试需求，对液压回路进行虚拟试验分析，以达到通过仿真预测、分析、指导实际试验的目的。首先，在EASY5中建立关键元件的仿真模型并进行验证；然后，完成液压系统测试平台的仿真模型，仿真分析其性能，并与实际测试结果比较，从而验证仿真模型的正确性，仿真模型及结果可为系统性能的进一步研究和半物理仿真提供一定参考。
1试验平台简介
液压系统性能试验台（STS）作为工程机械液压系统通用动态性能试验测试平台可以满足各种工程机械液压系统或元件的试验测试，其采用的是模块化、通用化、多接口设计原则，由于大多数工程机械都有工作回路、转向回路和先导回路，因此设计时油源部分分为工作系统、转向系统和先导系统三部分，以满足常用工程机械液压系统的试验测试。STS由试验系统油源(TSP)、供油回油加载测量装置(LMU)、试验台架系统(TBS)、操纵台(MPS)和试验通用管路(SGP)五大部分组成。STS上装有压力、流量、温度、位移(速度)、扭矩及转速变送器。操纵台(MPS)设有本地/远程转换开关，本地状态下MPS直接对TSP和LMU实施手动或自动控制；远程状态下MPS受控于上位机即计算机辅助测试系统CATS。压力、流量、温度、位移(速度)、扭矩及转速信号直接由CATS采集、处理、显示。如图1为液压系统性能试验台的组成流程图。
2仿真模型搭建
2.1关键元件的建模
（1）插装阀模型的建立。
EASY5中没有现成的插装阀模型，需要自己根据其原理搭建，打开EASY5从高级液压库中选取PH， VX（体积变量），CD（压力转化为力），FS（合力），PM，OA，VM，TN，从gp库中选取T1，MC。在EASY5中搭建了类似液压系统原理图的动态模型如图2所示。
图2中，VX为体积变量，在EASY5中其与CD元件可以默认连接，CD组件可以
把液压系统中的压力乘以面积变为力F输出，FS为力比较单元，可以对作用在插装阀阀芯上不同方向的力求合力，PM组件输入力信号可以输出位移信号，可以把作用在插装阀阀芯上的力转化为阀芯的位移，OA组件可以把位移信号转化为阀口的通流面积，WM为变量孔。本文用到的插装阀是方向控制用插装阀，在回路接通时，插装阀C腔是直接回油箱的，为
了调试所建立的模型的正确性，在模型中加入了泵和油箱，T1来控制泵的转速可以得到在不同流向下插装阀的动态性能。MC的输出为插装阀前后的压力差。通过比较MC的输出曲线和厂家提供的工作曲线得到所建模型符合要求。
（2）比例溢流阀模型建立。
比例溢流阀可以根据具体的需要无级调节系统的压力，试验台上先导比例溢流阀串联在系统中用做调节系统背压用，进行试验时系统需要多大的压力，通过调节比例溢流阀的输入量即可，因此，先导比例溢流阀的调压性能的好坏对系统有很大的影响，EASY5模型库中没有现成的先导比例溢流阀元件，需自行建立。比例溢流阀可由一个二阶震荡环节来近似。在EASY5中建立的比例溢流阀的开、闭环模型分别如图3、图4所示。
2.2系统仿真模型的建立
根据实际的液压系统动态性能试验测试平台的组成，利用EASY5高级液压库中的物理模型和gp库中的数学和控制模型搭建类似于液压系统原理图的仿真模型如图5所示。
为了使建立的模型更加简洁，采用子模型，上面的系统为转向系统，下面的系统为工作系统，通过设置不同的控制方式，可以分别单独对两个系统进行仿真分析。1号虚线框为转向系统插装阀方向控制回路，2号虚线框为比例溢流阀模型，3、4号虚线框分别类同1、2。系统中建模用到的主要元件有：油箱（TN），滤器（FI）、管路（PI）、定量泵（PH）、溢流阀（RF）、热交换器（HF）、单向阀（VC）、流体属性组件（FP）、输入函数（T1）、方波发生器（SQ）、反馈增益（GN）、控制开关（TG）。
通过控制开关（TG）的状态设置，控制插装阀方向来控制回路的通断，进而对系统进行空载或加载仿真，开环控制时比例溢流阀采用图3的模型，闭环PID控制时采用图4的模型，采用T1函数作为泵的函数输入。在建模的过程中还用到许多集流和分流口，因为模
型中元件的连接是依据接口的类型判断的，实心的圆点表示输出口，空心的圆点表示输入口，蓝色代表储存型接口（输入流量、输出压力），红色代表抵抗型接口（输入压力、输出流量）。连接规则是实心对空心，蓝色对红色。
3系统仿真分析
3.1空载时的仿真分析
为了减少仿真设定工况的误差，以测试实验时的转速数据作为泵的输入信号，可以得出系统在静态和动态时各个点的压力仿真情况，下面给出动态时系统中流量压力曲线的仿真与实验测试对比图。
从图6、7可以看出，实验与仿真的曲线基本吻合，反映了空载时系统所建模型的正确性和参数设置的正确性。由于实际测量用到的传感器的最大量程为40MPa，用在很低压力测量时，测量误差会较大，实验用的泵为齿轮泵，使实际系统不可避免有一些压力波动。
3.2转向系统仿真分析
试验平台上的压力传感器接在供油合流控制及测量阀块上，进行试验测量的压力为
系统的进油压力并非转向液压缸无杆腔的进油压力，而仿真的曲线显示的是转向液压缸无杆腔进油口处的压力。因此，试验中当转向方向盘没有转动时，见图8的0～1s时段，进油从转向系统优先卸荷阀流到工作系统并回流并没有进入液压缸，测量得到的进油压力比仿真得到的转向液压缸无杆腔的压力高。1s时刻开始转向控制阀打开，此时试验测量的系统液压油压力与进转向液压缸无杆腔的压力相同，测量的数据曲线与仿真得到的压力曲线趋于吻合。液压柱塞运行到行程终了位置，液压油的压力迅速升高，达到优先卸荷阀的卸荷压力时该阀开启液压油流回油箱，此时液压油缸无杆腔的压力等于优先卸荷阀的启阀压力。由于在仿真模型中通过设定溢流阀RF的启阀压力与优先卸荷阀的启阀压力相同，半物理仿真试验实际测量的数据与仿真得到的曲线在伸出行程终点达到一致。
总结
本文成功搭建了液压系统动态性能试验台的仿真模型，并与物理试验系统进行了仿真验证，其研究成果进一步完善将可运用于工程机械液压系统动态性能的仿真及半物理仿真研究，并为指导液压系统性能试验台的改进、优化提供理论基础，这种研究方法对推广到其它工程领域液压系统性能试验的研究具有重要的指导意义。
参考文献
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