新型液压过载保护系统原理设计和仿真分析

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摘 要：文章主要介绍一种新型液压过载保护系统，该系统能满足用户实际使用需要；利用matlab simulink对系统做了数字仿真分析，为系统参数的完善和优化提供了有利依据，确保了系统具有很好的动态响应。

关键词：过载保护；装模高度调整；matlab simulink；阶跃响应

1 概述

随着汽车制造厂家对产品质量、生产效率和制造成本的要求不断提高，传统气液式液压过载保护系统不能满足使用要求。新型液压过载保护系统具有远程设定过载保护压力、较高的卸荷动态响应和绿色节能的特点。文章在介绍了该新型液压过载保护系统工作原理的基础上，利用matlab simulink结合实例对系统进行了建模仿真研究。

2 新型液压过载保护系统的原理设计[1]

新型液压保护系统由两部分组成，由液压站和吨位控制阀块组成。

2.1 液压站的原理设计

液压站由低压充液泵、高压气动泵、液压阀和相关液压附件组成。低压充液泵用于系统的低压充液，保证系统的过载恢复时间；高压气动泵用于系统建立过载的高压需要，建立高压后低压充液泵可以空载卸荷并停泵，减少能耗。

文章以2000T多连杆机械压力机为例，对其进行过载保护系统原理设计。压力机装模高度调整数量为4个，装模高度调整主要参数有活塞直径D1，活塞杆直径d1，有效行程为S，则有：

（1）

式中：V为4个装模高度调整中油液总体积为（L）。

在自动化生产线上，过载保护复压时间要求t，充液流量为Q（L/Min），则有：

因此低压充液泵的流量要求？叟Q，充液压力定为P；装模高度调整中充液后，建立高压为P高，工厂气源压力经过减压后稳定为0.45MPa，选择增压比为i的气动泵，则气动泵最高可以达到P气泵=0.45i。

2.2 吨位控制阀块的原理设计

装模高度调整的液压垫在压机工作过程中，起到对机械本体和模具的保护作用，当设备在工作过程中，过载保护卸荷油压在工作油压的基础上提高10%，则有：

式中：M为压力机的吨位（t）；P1为过载保护卸荷油压（MPa）。

通过多连杆的运动曲线可以查出，滑块在13mm行程时的速度为V（m/s），则有：

Q1=A1v （4）

式中：Q1为压力机过载时每个装模高度调整的最大流量。

根据所计算的过载流量，采用一个装模高度调整由一个吨位控制阀来控制，选用插装阀作为主阀芯，为了便于系统压力的远程设定和提高系统的卸荷动态响应，选用带比例溢流阀的控制盖板，并设有最高压力限制，作为过载保护的二重保护，防止比例溢流阀出现故障，造成设备损坏。经过上述计算和原理分析，绘制出该新型液压过载保护的液压系统，如图1所示。

3 新型液压过载系统建模及数字仿真[2] [3]

新型液压过载保护系统要实现对过载保护安全控制，所采用带比例溢流阀盖板的插装阀必须具有很好的阶跃响应。下面对系统进行建模，通过数字仿真分析新型液压过载保护系统的阶跃响应。

3.1 控制盖板的压力方程

过载时，将控制盖板中压力的设定过程与盖板中的直动式比例溢流阀看作一致，来分析其性能。查看样本中压力与输入信号的曲线，绘制压力与输入电压的关系方程，并进行拉氏变换为：

P1（s）=4.5×106U（s） （5）

式中：P1为控制盖板中的设定压力（Pa）；U为盖板中比例阀的输入信号（V）。

3.2 过载保护系统与负载的动力学平衡方程

式中：FL为每个装模高度调整所受的负载力（N），为压力机主传动输出力的1/4；m为每个装模高度调整所折合的运动部件质量；v为装模高度调整过载时，运动部件的速度（m/s）。

对式（6）取增量形式，进行拉氏变换，并将式（5）代入，得到：

将对应参数代入式（7），利用matlab simulink进行建模，绘制系统的开环阶跃响应曲线，如图2所示。

通过阶跃曲线可以看出，过载保护系统建立压力达到稳定时，需要大约0.05s。同时控制盖板中的比例溢流阀的切换时间从样本查到，为0.03s～0.15s，文章以最大的过载吨位考虑，比例溢流阀切换时间取为0.15s，则过载保护系统在最大吨时建压时间约为0.2s。结合文章例子，由于上下模接触前的滑块运行时间约为0.5s，正常过载保护系统在接触前建立过载系统压力即可，由于安全考虑将过载保护建压的阶跃响应时间定为0.2s，因此所设计的新型液压过载保护系统完全可以满足工艺需要。

4 结束语

通过文章的原理分析和数字仿真可以得出，所设计的新型液压过载保护系统完全可以满足用户的实际使用需要，具有很好的动态响应；系统所选用的主阀为插装阀，抗污染能力强，工作可靠，插装阀的控制盖板选用带最高压力限制的比例溢流阀盖板，便于压力的远程设定。

参考文献

[1]王春行.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.

[2]杨征瑞，花克勤，徐轶.电液比例与伺服控制[M].北京：冶金工业出版社，2009.

[3]宋志安.基于matlab的液压伺服控制系统分析与设计[M].北京：国防工业出版社，2007.