壓力控制作為軸向柱塞變量泵常用的控制方式之一，其廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、航空航天等液壓系統(tǒng)中。主機(jī)在不同的工況下，其所需要的工作壓力不同，特別是存在多種動(dòng)作的主機(jī)，軸向柱塞變量泵除了在輸出大推力或大扭矩時(shí)需要較高的壓力外，其他工況所需的壓力級(jí)別較低。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作壓力與工作所需壓力不匹配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)能耗增大，油溫升高，進(jìn)而降低液壓元件的使用壽命。同時(shí)，在主機(jī)工作循環(huán)的間歇，如果液壓系統(tǒng)一直維持較高壓力，則會(huì)進(jìn)一步加劇功率損耗和系統(tǒng)發(fā)熱，而電機(jī)頻繁啟動(dòng)又會(huì)降低電機(jī)的壽命。因此,對(duì)軸向柱塞變量泵兩級(jí)壓力+卸荷控制（PCX）特性進(jìn)行研究具有重要意義。
如圖1所示，PCX控制系統(tǒng)主要由變量泵、電磁換向閥、溢流閥、流量閥、恒壓閥和三個(gè)節(jié)流孔組成。其工作原理如下：
（1）卸荷控制：當(dāng)電磁換向閥不得電時(shí)，電磁換向閥處于中位，高壓油口P與回油口T接通。當(dāng)變量泵不工作時(shí)，變量泵在回位彈簧的作用下處于大排量狀態(tài)，此時(shí)，高壓油通過節(jié)流孔3，一路油經(jīng)電磁換向閥回油箱，一路油與流量閥右端接通且經(jīng)節(jié)流孔1回油箱，當(dāng)變量泵出口壓力與節(jié)流后壓差達(dá)到流量閥開啟壓差時(shí)，流量閥處于左位，變量活塞與出口高壓油溝通，由于變量活塞與回位活塞存在面積差，變量活塞推動(dòng)斜盤擺角減小以使得出口壓力維持在流量閥開啟壓差附近。
（2）一級(jí)壓力控制：當(dāng)電磁換向閥得電，電磁換向閥處于A位時(shí)，高壓油口P與B口接通。當(dāng)變量泵不工作時(shí)，變量泵在回位彈簧的作用下處于大排量狀態(tài)，高壓油經(jīng)節(jié)流孔3后通過電磁換向閥與溢流閥接通。當(dāng)出口壓力達(dá)到溢流閥設(shè)定壓力時(shí)，流量閥右端壓力為溢流閥設(shè)定壓力，出口壓力繼續(xù)增大至節(jié)流孔3兩端壓差大于流量閥開啟壓差時(shí)，流量閥處于左位，變量活塞與出口高壓油溝通，由于變量活塞與回位活塞存在面積差，變量活塞推動(dòng)斜盤組件擺角減小以使得出口壓力=溢流閥設(shè)定壓力+流量閥開啟壓差。
（3）二級(jí)壓力控制：當(dāng)電磁換向閥得電，電磁換向閥處于B位時(shí)，高壓油口P與A口接通，A口處于堵死狀態(tài)。當(dāng)變量泵不工作時(shí)，變量泵在回位彈簧的作用下處于大排量狀態(tài)，高壓油經(jīng)節(jié)流孔3后只能通過節(jié)流孔1回油箱，由于節(jié)流孔3兩端壓差不能達(dá)到流量閥開啟壓差，使得流量閥一直處右位，當(dāng)出口壓力達(dá)到恒壓閥設(shè)定壓力時(shí)，恒壓閥處于左位，變量活塞與出口高壓油溝通，由于變量活塞與回位活塞存在面積差，變量活塞推動(dòng)斜盤組件擺角減小以使得出口壓力維持在恒壓閥開啟壓力左右。
根據(jù)PCX控制原理圖，基于AMESim軟件建立如下仿真模型：
如圖所示，采用節(jié)流加載方式，溢流閥泄漏與電磁換向閥泄漏均采用節(jié)流孔進(jìn)行模擬，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：
當(dāng)電磁換向閥處于中位時(shí)，加載閥逐漸關(guān)死，泵出口流量及壓力曲線如下：
如圖3所示，當(dāng)出口壓力未達(dá)到卸荷壓力時(shí)，泵處于全流量輸出狀態(tài)，隨著加載閥的逐漸關(guān)閉，泵出口壓力不斷增大，當(dāng)達(dá)到流量閥開啟壓力時(shí)，流量閥工作，泵輸出流量從69 L/min降低至維持泄漏所需流量3.2 L/min左右，此時(shí)最大出口壓力為2.56 MPa，比流量閥設(shè)定壓差高0.56 MPa，這主要是控制系統(tǒng)管阻導(dǎo)致。
當(dāng)電磁換向閥處于A位時(shí)，加載閥逐漸關(guān)死，泵出口流量及壓力曲線如下：
如圖4所示，當(dāng)出口壓力未達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，泵處于全流量輸出狀態(tài)，當(dāng)出口壓力達(dá)到22.2MPa時(shí)，流量閥兩端壓差達(dá)到2MPa，流量閥處于左位，泵排量減小以維持出口壓力恒定，故一級(jí)設(shè)定壓力=溢流閥設(shè)定壓力+流量閥開啟壓差。
當(dāng)電磁換向閥處于B位時(shí)，加載閥逐漸關(guān)死，泵出口流量及壓力曲線如下：
如圖5所示，當(dāng)出口壓力未達(dá)到恒壓閥切斷壓力時(shí)，泵處于全流量輸出狀態(tài)，當(dāng)出口壓力達(dá)到28 MPa時(shí)，恒壓閥開啟，泵排量減小以維持出口壓力恒定。
綜上所述，性能仿真結(jié)果與控制原理預(yù)期結(jié)果基本吻合，仿真模型具有很高可信度。
節(jié)流孔1孔徑不同時(shí)，控制系統(tǒng)壓力變化曲線如下：
如圖6所示，卸荷工況下，節(jié)流孔1孔徑越大，其卸荷壓力越低，這主要是由于系統(tǒng)管阻降低導(dǎo)致；一級(jí)壓力控制下，節(jié)流孔1孔徑越大，其出口壓力越低，一級(jí)壓力控制失效，這主要是由于節(jié)流孔1孔徑較大時(shí)，通過節(jié)流孔1的流量增大，節(jié)流孔3兩端壓差增大至流量閥開啟壓差時(shí)，流量閥提前工作而導(dǎo)致控制失效；同理，在二級(jí)壓力控制時(shí)，節(jié)流孔3兩端壓差提前達(dá)到流量閥開啟壓差，使得流量閥提前工作而導(dǎo)致二級(jí)壓力控制失效，故節(jié)流孔1孔徑存在最優(yōu)設(shè)計(jì)，過大容易導(dǎo)致流量閥提前工作而使得壓力控制失效，過小使得卸荷壓力較高，系統(tǒng)能耗增大。
當(dāng)節(jié)流孔3孔徑不同時(shí)，控制系統(tǒng)壓力變化曲線如下：
如圖7所示，卸荷控制時(shí)，節(jié)流孔3孔徑越大，其卸荷壓力越高，這主要是由于孔徑越大其達(dá)到流量閥開啟壓力所需的流量越大，進(jìn)而使得系統(tǒng)管阻增大；一級(jí)壓力控制下，節(jié)流孔3孔徑較小時(shí)，節(jié)流孔兩端壓差提前達(dá)到流量閥開啟壓差，使得一級(jí)壓力控制失效，而節(jié)流孔3孔徑較大時(shí)，節(jié)流孔3兩端壓差不能達(dá)到流量閥開啟壓差，一級(jí)壓力控制失效；同理，二級(jí)壓力控制下，節(jié)流孔3孔徑較小時(shí)，節(jié)流孔兩端壓差提前達(dá)到流量閥開啟壓差，使得二級(jí)壓力控制失效；故節(jié)流孔3孔徑存在最優(yōu)設(shè)計(jì)，過小容易導(dǎo)致流量閥提前工作而使得壓力控制失效，過大使得卸荷壓力較高，系統(tǒng)能耗增大。
根據(jù)以上仿真分析，對(duì)某型號(hào)軸向柱塞變量泵PCX控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖8 某型軸向柱塞變量泵PCX控制結(jié)構(gòu)示意圖
相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：
表2 樣機(jī)試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置
如圖9所示，隨著壓力的增大，出口流量略有下降，這主要是由于壓力增大，變量泵容積效率降低所致。當(dāng)電磁換向閥分別處于中位、A位和B位時(shí)，樣機(jī)的切斷壓力分別為2.2 MPa、21 MPa和28 MPa左右，與仿真分析結(jié)果基本吻合。
本文根據(jù)PCX控制系統(tǒng)原理，運(yùn)用AMESim軟件搭建出相應(yīng)的控制仿真模型，對(duì)某型號(hào)軸向柱塞變量泵PCX控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)節(jié)流孔進(jìn)行優(yōu)化分析，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)流孔1孔徑為0.3mm，節(jié)流孔3孔徑為1mm 時(shí)，樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)PCX控制。
參考文獻(xiàn)
[1]
李玉琳.液壓元件與系統(tǒng)［M］.北京：
北京航空航天大學(xué)出版社，1991.
[2] 張興越，劉雨，楊光華.基于AMESim的柱塞泵EP2D控制特性研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2020，(2):38-41.
[3] 梁全，蘇齊瑩.液壓系統(tǒng)AMESim計(jì)算機(jī)仿真指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.
[4] 高珊，郭勇，程敬敬,等.恒功率軸向柱塞泵建模及動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2013，29(1):83-86.
[5] 劉雨，張興越，王晉芝.基于AMESim的柱塞泵LR控制特性研究［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2020，(4):32-35.
[6] 劉明安.德國(guó)Rexroth-A11V(L)O系列柱塞泵結(jié)構(gòu)與變量機(jī)構(gòu)控制原理分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(18):35-38.
[7] 劉仙船，于蘭英，李磊.基于AMESim的斜盤斜柱塞泵特性仿真［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2009，(6)：23-25.
