李際勇

摘 要：液壓元件要求其具有良好的動(dòng)態(tài)特性，利用AMESim對(duì)帶壓力補(bǔ)償比例插裝流量閥動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模分析與仿真。簡(jiǎn)單介紹了AMESim軟件并闡述了帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥的工作原理，根據(jù)比例插裝流量閥的結(jié)構(gòu)及參數(shù)利用AMESim軟件進(jìn)行建模分析與仿真。

關(guān)鍵詞：比例插裝流量閥；AMESim；建模分析與仿真

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

對(duì)于液壓元件除了要滿足其必須完成的預(yù)定動(dòng)作和靜態(tài)特性外，也要求其具有良好的動(dòng)態(tài)特性。在某型45噸磁性粉末液壓機(jī)的設(shè)計(jì)中，由于其液壓缸的快速運(yùn)動(dòng)階段需要很大的流量，且油液在經(jīng)過(guò)流量閥后壓力有一定的損失，所以在設(shè)計(jì)時(shí)決定采用帶有壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥。為進(jìn)一步了解加裝壓力補(bǔ)償后比例插裝流量閥的動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)其進(jìn)行建模與仿真。

液壓元件（系統(tǒng)）建模的方法主要有解析法、狀態(tài)空間法、功率鍵合圖法、“灰箱”建模法以及利用計(jì)算機(jī)軟件建模法等。其中，軟件建模法主要利用現(xiàn)有的仿真軟件對(duì)液壓系統(tǒng)建模仿真，經(jīng)過(guò)幾十年的研究與發(fā)展，液壓仿真軟件伴隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展其性能逐漸成熟穩(wěn)定，成為現(xiàn)在研究液壓元件（系統(tǒng)）動(dòng)態(tài)性能并建立模型進(jìn)行仿真的重要手段。本次建模仿真就利用近些年比較流行的AMESim軟件進(jìn)行建模分析。

2 AMESim軟件簡(jiǎn)介

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域的建模仿真軟件，它提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的平臺(tái)，它以元件本身設(shè)計(jì)的性能為出發(fā)點(diǎn)，充分考慮摩擦、液體、氣體及環(huán)境的溫度等難以建模的部分，對(duì)元件組成部分和系統(tǒng)進(jìn)行功能性仿真和優(yōu)化，并且能夠與其他仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真和優(yōu)化。

AMESim軟件由AMESim、AMESet、AMECustom、AMERun四部分功能模塊組成。其中，AMESim模塊主要是系統(tǒng)建模、仿真和分析，它的工作模式為：根據(jù)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖建立模型——選擇需要的元件模型——根據(jù)設(shè)計(jì)需要設(shè)定元件的參數(shù)——運(yùn)行仿真軟件——分析得到的結(jié)果。

AMESim的特點(diǎn)是：①它集成了機(jī)械、電氣、液壓、液阻、氣動(dòng)、管路、液壓元件的設(shè)計(jì)、熱流體工程、動(dòng)力傳動(dòng)等多學(xué)科的模型庫(kù)，模型圖標(biāo)簡(jiǎn)單直觀，能滿足各種場(chǎng)合的建模；②使用者在建模時(shí)仿真模型的建立、擴(kuò)充只需通過(guò)選擇圖型就可建立，不需要進(jìn)行大量的編程，保證使用者專注于元件本身的而不是把時(shí)間用在大量的數(shù)學(xué)建模中；③它能夠同時(shí)運(yùn)用不同的參數(shù)進(jìn)行一系列的仿真，同時(shí)提供多種分析工具供使用者分析優(yōu)化系統(tǒng)及設(shè)計(jì)；④通過(guò)與MATLAB、Matrix、Adams、dSPACE等軟件的聯(lián)合仿真，使得仿真工作涉及的范圍更加廣范，更加方便。

正如其他軟件一樣，AMEsim也有自身的不足之處，主要體現(xiàn)在：①元件模型仿真是需要設(shè)置很多參數(shù)，但是有些參數(shù)是不確定的；②仿真元件的圖形有限，有些專用的特殊元件需要自行設(shè)計(jì)，這需要使用者具有大量的經(jīng)驗(yàn)和技巧；③仿真的過(guò)程還是不能很好地反映出實(shí)際的狀況，比如實(shí)際的泄漏、摩擦等。

3 帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥的工作原理

液壓油在經(jīng)過(guò)比例插裝流量閥時(shí)，受流量口的進(jìn)出口的影響產(chǎn)生壓力損失，形成的壓差對(duì)液壓油的流量產(chǎn)生影響，為了將產(chǎn)生的影響降到最低，于是在流量閥前或后串聯(lián)一個(gè)壓力補(bǔ)償裝置。在壓力補(bǔ)償裝置的作用下液壓油通過(guò)流量口的壓差保持恒定，從而使液壓油的不受流量口前后壓力變化的影響。其工作原理簡(jiǎn)圖及液壓符號(hào)如圖1所示。

為了方便直觀的說(shuō)明其工作原理，在圖1（a）中將比例插裝流量閥進(jìn)行簡(jiǎn)化表示，在圖中比例插裝流量閥的出口A與溢流閥的上腔口a相通，比例插裝流量閥的進(jìn)口B與溢流閥的下腔b相連。當(dāng)液壓缸C的負(fù)載加大時(shí)，比例插裝流量閥出口的壓力增大，使得作用在溢流閥a腔中閥芯上的力加大導(dǎo)致閥芯1下降，進(jìn)而溢流口的開(kāi)口減小，此時(shí)比例插裝流量閥進(jìn)口的壓力加大，從而保持壓差的基本恒定。反之，液壓缸負(fù)載減小時(shí)，比例插裝流量閥出口的壓力減小，溢流閥閥芯1上移，溢流口開(kāi)口相對(duì)增大，進(jìn)而使比例插裝流量閥進(jìn)口的壓力減小，同樣保持壓差的基本恒定。

4 比例插裝流量閥的結(jié)構(gòu)及參數(shù)

在某型45t稀土永磁材料粉末液壓機(jī)中，選用Atos公司生產(chǎn)的LIQZO-TE系列帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。此型號(hào)的電磁閥與集成放大器協(xié)同工作，集成放大器為流量閥提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電流，以校準(zhǔn)流量閥的調(diào)整量，使之與供給放大器的輸入信號(hào)相匹配。TE型為模擬式，流量調(diào)節(jié)通過(guò)帶位置傳感器3及雙先導(dǎo)控制腔的閥芯1與閥套2配合實(shí)現(xiàn)的；閥芯的位移通過(guò)比例方向閥即先導(dǎo)閥4進(jìn)行閉環(huán)控制，控制原理圖如圖3所示。

為了仿真需要，將LIQZO-TE系列比例插裝流量閥及其集成放大器的特性參數(shù)分別列在表1和表2中。

5 帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥的建模分析與仿真

根據(jù)圖1、圖2及圖3，將帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥的仿真模型利用AMESim軟件搭建如圖4所示。

為了便于帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥進(jìn)行仿真，將其置于一個(gè)簡(jiǎn)單的液壓系統(tǒng)中，該系統(tǒng)只提供壓力和流量，沒(méi)有任何負(fù)載。根據(jù)Atos公司的樣本，溢流閥2選擇的型號(hào)為AGAM-10，最大流量為200L/min，壓力調(diào)節(jié)范圍為7～210bar；溢流閥3選擇的型號(hào)為JPC-2，最大流量為200L/min，最大進(jìn)口壓力為350bar；插裝流量閥1的通徑為16mm，各項(xiàng)性能參數(shù)在1-1中列出；先導(dǎo)閥4的型號(hào)為DHZO-TE*70，階躍信號(hào)從0～100%變化的響應(yīng)時(shí)間為15ms。

在圖4的液壓系統(tǒng)中先導(dǎo)比例方向閥4由獨(dú)立的穩(wěn)定液壓源提供壓力，壓力大小Atos推薦為140～160bar，取P=150bar；插裝閥主通道由獨(dú)立穩(wěn)定的流量源提供流量，流量大小240L/min。當(dāng)給定階躍信號(hào)的值為10V時(shí)，插裝閥主閥芯左移完全打開(kāi)，通過(guò)PID調(diào)節(jié)（P=200，I=10）后得到閥的集成放大器動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線如圖5所示，插裝閥主通道的流量動(dòng)態(tài)特性曲線如圖6中曲線所示。

6 仿真結(jié)果分析

從圖5可以看出加裝壓力補(bǔ)償器后的比例插裝流量閥的集成放大器的階躍信號(hào)響應(yīng)時(shí)間約在25ms左右，與加裝前比例插裝流量閥的集成放大器階躍信號(hào)響應(yīng)時(shí)間22ms相差不大，滿足控制系統(tǒng)要求；從圖6可以看出比例插裝流量閥主通道流量在小于其階躍信號(hào)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到要求，且流量約為242L/min左右，與主通道設(shè)定流量240L/min幾乎相同，完全滿足液壓機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

結(jié)論

通過(guò)本次對(duì)帶壓力補(bǔ)償?shù)谋壤逖b流量閥建模與仿真，可分析其動(dòng)態(tài)特性是否滿足系統(tǒng)要求，為以后類似閥的建模與仿真打下了基礎(chǔ)。此次建模與仿真過(guò)程表明利用AMESim軟件系統(tǒng)對(duì)液壓元件可進(jìn)行準(zhǔn)確、便捷的分析，為用戶在設(shè)計(jì)制造時(shí)提供了可靠的理論依據(jù)。

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