基于AMESim的先導(dǎo)式比例減壓閥建模與仿真

　， ， 　， ， 　 (1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院， 湖北 武漢　430081; .武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院， 湖北 武漢　430080)

引言

列車運(yùn)行時(shí)對軌道路基的動力響應(yīng)可認(rèn)為由列車軸重的靜壓力與各種振蕩因素導(dǎo)致的動壓力共同作用的結(jié)果[1]。

軌道路基動力響應(yīng)測試激振系統(tǒng)主要單元由雙級伺服液壓缸和液壓激振系統(tǒng)構(gòu)成，用來模擬上述列車動力響應(yīng)[2]。靜壓由三通比例減壓閥控制，輸出不變的液壓力作用于伺服激振缸的靜壓腔，用于模擬軌道路基靜載荷[3]，同時(shí)靜壓腔還要受到動壓腔的交變激振力的作用。如何使靜壓腔加載力保持恒定，取決于對先導(dǎo)式比例減壓閥的精準(zhǔn)控制。

AMESim作為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真的解決方案，它包含有機(jī)械、信號控制、液壓(包括管道模型)、液壓元件設(shè)計(jì)(HCD)等工程學(xué)科的應(yīng)用庫[4]。AMESim具有豐富的模型庫,用戶可以采用基本元素法,按照實(shí)際物理系統(tǒng)來構(gòu)建自定義模塊或仿真模型，而不需要去推導(dǎo)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型[5]。使用戶能夠借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案來研究任何元件或回路的動力學(xué)特性,使AMESim在航空航天工業(yè)、汽車制造和傳統(tǒng)液壓行業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

本研究基于AMESim軟件對先導(dǎo)式比例減壓閥進(jìn)行建模與仿真研究，找出影響其動靜態(tài)特性的主要因素，為先導(dǎo)式比例減壓閥的設(shè)計(jì)、選型及控制提供理論依據(jù)。

1　閥的結(jié)構(gòu)

先導(dǎo)式比例減壓閥的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，主要由放大器、比例電磁鐵、先導(dǎo)錐閥和三通滑閥組成。先導(dǎo)級由B型半橋構(gòu)成，比例電磁鐵輸出力與作用在錐閥芯測壓面的液壓力平衡。三通滑閥作為主閥，其閥芯右端面作用著先導(dǎo)級提供的指令力；左端面是主級的反饋測壓面，作用有減壓閥的出口壓力產(chǎn)生的反饋力[6]。

圖1　先導(dǎo)式比例減壓閥的結(jié)構(gòu)原理圖

2　仿真模型的建立

根據(jù)上述減壓閥工作原理描述，減壓閥AMESim模型主要由比例電磁鐵部分(含放大器及位移反饋)、先導(dǎo)錐閥以及三通滑閥主閥三部分構(gòu)成。

2.1　先導(dǎo)級建模

1) 比例電磁鐵模型

在比例電磁鐵力-位移特性范圍內(nèi)，比例電磁鐵輸出力方程[3]：

Ft=K3I+K4X

(1)

比例電磁鐵線圈電壓-電流方程：

Ug=((RL+K1K2)I+LhdI/dt)/K1

(2)

式中，K3為比例電磁鐵的電流-力增益系數(shù)，N/A；K4為比例電磁鐵位移-力增益系數(shù)，N/m；I為線圈中的電流，A；X為銜鐵位移，m；RL為線圈電阻和放大器內(nèi)阻，Ω；Lh為線圈電感，H；K1為放大器電壓放大系數(shù)；K2為比例電磁鐵的電流反饋增益，V/A。

根據(jù)比例電磁鐵數(shù)學(xué)模型，利用AMESet二次開發(fā)工具建模如圖2所示。其中，1為比例電磁鐵模型輸出接口，包括輸出力Ft、銜鐵位移X、銜鐵速度Vx；2為比例電磁鐵模型放大器給定電壓Ug輸入接口。

圖2　比例電磁鐵AMESet模型

2) 先導(dǎo)閥模型

利用HCD庫建立先導(dǎo)錐閥模型如圖3所示，包括錐形閥口、質(zhì)量塊和彈簧活塞組成。閥口幾何參數(shù)、閥芯質(zhì)量、彈簧剛度等是影響錐閥性能的主要參數(shù)。

圖3　先導(dǎo)錐閥AMESim模型

2.2　主閥模型

主閥采用三通滑閥結(jié)構(gòu)，可以為負(fù)載提供一個泄油通道。其AMESim模型由彈簧活塞、質(zhì)量塊和環(huán)形槽活塞組成，如圖4所示。

圖4　主閥AMESim模型

3　AMESim仿真模型及參數(shù)設(shè)置

將上述子模塊的AMESim模型連接后，建立先導(dǎo)比例減壓閥的總模型如圖5所示。

圖5　先導(dǎo)比例減壓閥AMESim模型

參照閥的參數(shù)，設(shè)置仿真模型參數(shù)如表1所示。

4　仿真分析

按照表1設(shè)置完AMESim模型中模塊參數(shù)后，分別對減壓閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步地分析，找出影響減壓閥性能的主要因素。

4.1　靜態(tài)特性分析

減壓閥的靜態(tài)特性是指穩(wěn)定流動狀態(tài)下,減壓閥出口壓力、進(jìn)口壓力、流量等參數(shù)間的相互關(guān)系，主要包括控制特性、流量特性(亦稱負(fù)載特性)、流量-壓差特性等。

表1　減壓閥仿真參數(shù)

圖6為固定阻尼孔R1孔徑分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm時(shí)以及先導(dǎo)復(fù)位彈簧剛度為10 N/mm、50 N/mm、90 N/mm時(shí)的控制特性仿真曲線，從圖中可以看出R1孔徑和先導(dǎo)復(fù)位彈簧剛度決定了減壓閥輸出最小壓力值、最大壓力及壓力-電壓變化率，而主閥復(fù)位彈簧剛度、主閥芯質(zhì)量、固定阻尼孔R2等參數(shù)對控制特性影響很小。

圖6　減壓閥控制特性仿真曲線

圖7為給定電壓Ug為80%Umax，主閥復(fù)位彈簧剛度分別為30 N/mm、60 N/mm、90 N/mm時(shí)以及固定阻尼孔R1孔徑分別為0.2 mm、0.4 mm 0.6 mm時(shí)的流量特性仿真曲線，可以看出主閥復(fù)位彈簧剛度KY0越大，負(fù)載流量產(chǎn)生的壓降越大，減壓閥壓力穩(wěn)定性越差，減壓閥出口壓力隨著負(fù)載流量增大而降低；固定阻尼孔R1孔徑只是決定了出口壓力大小，對負(fù)載流量特性斜率沒有影響。進(jìn)一步仿真發(fā)現(xiàn)主閥芯質(zhì)量、先導(dǎo)彈簧剛度等參數(shù)對流量特性影響很小。

圖7　減壓閥流量特性仿真曲線

圖8為給定電壓Ug為100%Umax，固定阻尼孔R1孔徑分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm時(shí)的流量-壓差特性仿真曲線，在到達(dá)轉(zhuǎn)折流量前，固定阻尼孔R1孔徑越小同等流量時(shí)壓差越大，響應(yīng)越慢，并且轉(zhuǎn)折流量越大。

圖8　減壓閥流量-壓差特性仿真曲線

4.2　動態(tài)特性分析

減壓閥的動態(tài)特性是指在變化輸入信號下，減壓閥出口壓力、流量等參數(shù)對其的響應(yīng)變化。一般采用階躍響應(yīng)(時(shí)域)或頻率響應(yīng)(頻域)來描述。

圖9從上到下依次為固定阻尼孔R1孔徑分別為0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm時(shí)、先導(dǎo)閥入口腔V1容積為0.02 L、0.04 L、0.06 L時(shí)，以及負(fù)載出口腔V2為1 L、2 L、3 L時(shí)的階躍響應(yīng)仿真曲線(Ug=80%Umax)。固定阻尼孔R1孔徑越大，先導(dǎo)閥入口腔V1容積越小，出口腔的壓力輸出響應(yīng)速度越快，且通過閥口油液的瞬間沖擊強(qiáng)度越大，因此出口壓力的波動頻率和幅值較大。負(fù)載出口腔V2容積對出口壓力影響較小，但其容積太大會影響出口壓力響應(yīng)時(shí)間與幅值超調(diào)。

圖9　減壓閥階躍響應(yīng)仿真曲線

5　結(jié)論

本研究對先導(dǎo)式比例減壓閥結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了分析，建立了先導(dǎo)式比例減壓閥的AMESim仿真模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)，分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸出壓力流量特性影響，得出以下結(jié)論：

(1) 增大固定阻尼孔孔徑，可以減小輸出閥口壓差，提高輸出壓力幅值，減少減壓閥輸出響應(yīng)時(shí)間，但是也增大了減壓閥輸出壓力超調(diào)量，對輸入壓力的變化響應(yīng)更強(qiáng)烈，并且增大輸出壓力下限，調(diào)壓范圍變窄。因此，選擇合適的固定阻尼孔孔徑，可以實(shí)現(xiàn)減壓閥響應(yīng)快速性、穩(wěn)定性、閥口壓差、調(diào)壓范圍等性能的匹配；

(2) 先導(dǎo)閥入口腔容積越小，減壓閥壓力輸出響應(yīng)速度越快，且出口壓力的波動頻率和幅值較大。因此，適當(dāng)增大入口腔容積，犧牲響應(yīng)快速性，可以提高減壓閥抗干擾能力。

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