基于A MESim的定差減壓閥建模與仿真

張 力，李文飛，趙玉貝，曹春花

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

定差減壓閥一般是指進(jìn)、出口壓力差保持定值的減壓閥，通過(guò)定差減壓閥可改變節(jié)流閥口的補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用，使節(jié)流孔兩端壓差和通過(guò)流量基本保持恒定。定差減壓閥主要用在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載力或油源壓力變化時(shí)，由于定差減壓閥的補(bǔ)償作用，使節(jié)流閥兩端壓差和流量基本保持不變，從而得到很高的調(diào)速剛性。

筆者根據(jù)定差減壓閥的結(jié)構(gòu)原理，運(yùn)用仿真軟件A MESim對(duì)其進(jìn)行建模，依據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的參數(shù)來(lái)設(shè)置模型的各項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證所建模型的正確性，從而為閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。

1 定差減壓閥的工作原理

定差減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該閥由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成。當(dāng)控制口K處壓力為零時(shí)，減壓閥不工作，閥芯處于常開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)控制口K處的壓力減小時(shí)，主閥芯上移，閥口流量減小，壓降增大，出口壓力就降低。當(dāng)控制口K處的壓力增大時(shí)，推動(dòng)主閥芯下降，閥口流量增大，壓降就降低，減壓閥出口壓力就增加。由此可見(jiàn)，定差減壓閥的出口壓力隨控制口處的壓力增大而增大，減小而減小。

當(dāng)定差減壓閥正常工作時(shí)，作用在主閥芯上的力是平衡的。設(shè)A為主閥芯上、下端的面積，F(xiàn) s為彈簧力，F(xiàn) g為閥芯重力，F(xiàn) bs為閥芯上的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，F(xiàn) f為摩擦力，p1為主閥芯下端的壓力，p2為主閥芯上端的壓力，則主閥芯上的力平衡方程為：

設(shè)K s為主閥芯的彈簧剛度，x c為閥芯的開(kāi)口量x R＝0時(shí)的彈簧預(yù)壓縮量，則閥芯開(kāi)口量為x R時(shí)的彈簧力可表示為：

將式（2）代入式（1）并略去閥芯摩擦力、自重和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，得：

圖1 定差減壓閥的結(jié)構(gòu)

由于彈簧的變形量（即閥芯的開(kāi)口量）x R相對(duì)于彈簧的預(yù)壓縮量x c可以忽略不計(jì)，所以公式（3）可簡(jiǎn)化為：

由公式（4）可以看出，主閥芯上、下兩端的壓力是由彈簧剛度、預(yù)壓縮量及主閥芯端面面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，所以一旦閥設(shè)計(jì)完成后，則主閥芯上、下兩端的壓差即為定值。由于流過(guò)整個(gè)閥的出油口與油控口的流量與流過(guò)閥芯上、下兩端的流量相等，由流量公式可知，閥的出油口與油控口的壓差為主閥芯上、下壓差的倍數(shù)關(guān)系，而主閥芯上、下兩端壓差為恒值，所以閥的出油口與油控口的壓差也為恒值，即實(shí)現(xiàn)了壓差恒值控制。

2 定差減壓閥的AMESim建模仿真及結(jié)果分析

2.1 模型的建立

定差減壓閥主要由主閥和先導(dǎo)閥兩部分組成，主閥采用的閥芯結(jié)構(gòu)是滑閥式的，先導(dǎo)閥采用的閥芯結(jié)構(gòu)是錐閥式的。由于本文中設(shè)計(jì)的新型定差減壓閥，在A MESim中的Hydraulic元件庫(kù)中沒(méi)有結(jié)構(gòu)相同的元件，因此運(yùn)用Hydraulic Component Design庫(kù)的基本元件搭建新的定差減壓閥的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 定差減壓閥的仿真模型

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

搭建好減壓閥的模型，設(shè)置好子模型后，需要在AMESim環(huán)境參數(shù)設(shè)置中為各部分元件和子模型設(shè)置參數(shù)：主閥芯直徑為Φ14 mm；缸體的腔長(zhǎng)為10 mm；減壓閥出口阻尼孔直徑為Φ0.5 mm；控制口阻尼孔直徑為Φ1.8 mm；主閥芯阻尼孔直徑為Φ1 mm；主彈簧與先導(dǎo)閥之間的阻尼孔直徑為Φ0.5 mm；閥的最大開(kāi)口量為4 mm；主閥彈簧的剛度為10.7 N／mm，初始位移的彈簧力為154 N；先導(dǎo)閥的彈簧剛度為10.7 N／mm，初始彈簧力為100 N；減壓閥的供油壓力為28 MPa；其余參數(shù)為默認(rèn)值。仿真時(shí)間為15 s，通信間隔0.001 s。

2.3 仿真分析

（1）給定差減壓閥的控制口一個(gè)變階躍信號(hào)，前5 s加一個(gè)3 MPa的信號(hào)，中間5 s加一個(gè)5 MPa的信號(hào)，最后5 s加一個(gè)7 MPa的信號(hào)，如圖3所示。變階躍負(fù)載時(shí)定差減壓閥的出口壓力曲線如圖4所示，減壓閥的控制口壓力信號(hào)與出口壓力信號(hào)的疊加如圖5所示，減壓閥的壓差曲線如圖6所示。由圖5和圖6可知：減壓閥的出口壓力與控制口壓力之差為5.5 MPa，壓差減壓閥的出口壓力跟隨控制口壓力信號(hào)的變化而變化，響應(yīng)速度比較快，實(shí)現(xiàn)了壓差恒值控制。

圖3 定差減壓閥的油控口壓力源變階躍信號(hào)

（2）給定差減壓閥的控制口在0 s～15 s內(nèi)加一個(gè)8 MPa的信號(hào)，如圖7所示。定差減壓閥的出口壓力曲線圖如圖8所示，減壓閥的控制口壓力信號(hào)與出口壓力信號(hào)的疊加如圖9所示，圖10為恒定階躍外負(fù)載下的壓差。由圖9、圖10可知：減壓閥的出口壓力與控制口壓力之差為5.5 MPa 由此可見(jiàn)，定差減壓閥的出口壓力跟隨控制口壓力信號(hào)的變化而變化，響應(yīng)速度比較快，實(shí)現(xiàn)了壓差恒值控制。

圖4 變階躍負(fù)載時(shí)定差減壓閥的出口壓力曲線

圖5 變階躍負(fù)載時(shí)減壓閥控制口壓力與出口壓力

圖6 變階躍負(fù)載時(shí)減壓閥的壓差曲線

圖7 定差減壓閥的油控口壓力源恒階躍信號(hào)

圖8 恒階躍外負(fù)載時(shí)定差減壓閥的出口壓力曲線

由以上兩組仿真實(shí)驗(yàn)可以得出：無(wú)論定差減壓閥由油控口反饋回的壓力如何變化，只要在閥的可控額定壓力范圍內(nèi)，總能保證閥的出油口與油控口的壓差為5.5 MPa。由前面的理論公式可知，通過(guò)改變預(yù)壓縮量可調(diào)節(jié)壓差，從而實(shí)現(xiàn)閥對(duì)負(fù)載變化的跟隨控制，實(shí)現(xiàn)壓差恒值控制。

圖9 恒階躍外負(fù)載時(shí)減壓閥的控制口壓力與出口壓力

圖10 恒定階躍外負(fù)載時(shí)減壓閥的壓差曲線

3 結(jié)論

（1）基于A MESim建立了定差減壓閥的模型，修改結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)后直接仿真就可得到減壓閥的各性能參數(shù)。這為下一步進(jìn)行定差減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了條件。

（2）通過(guò)A MESim仿真，分析驗(yàn)證了該定差減壓閥實(shí)現(xiàn)了出油口和油控口的定差控制。

［1］雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

［2］曹春花，李志琦，李文飛.一種定差減壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2012，32（7）：79-80.

［3］付永領(lǐng)，祁曉野.A MESim系統(tǒng)建模和仿真［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］張雅芹.關(guān)于定差減壓閥和差壓減壓閥［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（1）：63-64.

［5］劉小初，葉正茂，韓俊偉，等.基于A MESim軟件的三級(jí)電液伺服閥建模與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2008（11）：135-136，149.

［6］鄒伯敏.自動(dòng)控制理論［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.