基于AMESim的液粘調(diào)速離合器伺服閥建模仿真研究

田宇琦，王天馳，吳 凡，常震羅，侯天柱

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

基于AMESim的液粘調(diào)速離合器伺服閥建模仿真研究

田宇琦，王天馳，吳 凡，常震羅，侯天柱

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

為了建立液粘調(diào)速離合器完整的液壓控制回路，以伺服閥為例對(duì)回路中非標(biāo)準(zhǔn)閥的建模仿真方法進(jìn)行了探討。首先通過分析液粘調(diào)速離合器液壓系統(tǒng)的工作原理，并結(jié)合伺服閥的結(jié)構(gòu)，利用仿真軟件AMESim建立了伺服閥塊的物理結(jié)構(gòu)模型。結(jié)合仿真分析，對(duì)控制油壓與出口油壓的關(guān)系以及影響出口油壓的因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，彈簧預(yù)緊力決定了打開閥口時(shí)所需的控制油壓，但卻并不影響出口壓力隨控制油壓的變化梯度。在此基礎(chǔ)上將伺服閥放入液壓控制回路中進(jìn)行仿真，研究控制電流與工作油壓的關(guān)系并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。結(jié)果表明，建立的伺服閥模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，為其他非標(biāo)準(zhǔn)閥塊的建模仿真提供了參考依據(jù)。

液粘調(diào)速離合器；液壓系統(tǒng)；伺服閥；AMESim；建模仿真

液粘調(diào)速離合器是一種綜合運(yùn)用了機(jī)械、電子控制及液壓技術(shù)且同時(shí)具有流體剪切傳動(dòng)以及機(jī)械摩擦傳動(dòng)的新型傳動(dòng)裝置，具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、精度高、無級(jí)調(diào)速、理論傳遞轉(zhuǎn)矩效率能達(dá)到100%的特點(diǎn)。此外還有較高的調(diào)速靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的遙控以及自動(dòng)控制。液粘調(diào)速離合器可使電機(jī)在輕載下啟動(dòng)，縮短啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊時(shí)間，而當(dāng)啟動(dòng)慣性較大的負(fù)載時(shí)，可以使其緩慢加速，起到防止傳動(dòng)系統(tǒng)過載的作用。同時(shí)，液粘調(diào)速離合器可以自動(dòng)限制傳遞的扭矩，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)起保護(hù)作用[1]。

液壓系統(tǒng)作為液粘調(diào)速離合器的核心部分用于控制油膜厚度，對(duì)調(diào)速工作起決定性作用。由于液壓系統(tǒng)中所用的非標(biāo)準(zhǔn)閥較多，系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各模塊相互作用影響較大，對(duì)整體系統(tǒng)直接進(jìn)行研究不易發(fā)現(xiàn)什么問題。本文應(yīng)用仿真軟件AMESim對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)閥件中的伺服閥進(jìn)行建模后先進(jìn)行獨(dú)立仿真，后加入到液壓系統(tǒng)控制回路中進(jìn)行仿真研究，由點(diǎn)到面，為其他非標(biāo)準(zhǔn)閥塊的建模仿真打下基礎(chǔ)。

1 液粘調(diào)速離合器結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)

液粘調(diào)速離合器是基于牛頓內(nèi)摩擦定律通過粘性液體油膜的剪切力來傳遞動(dòng)力的，本體結(jié)構(gòu)主要由輸入軸、輸出軸、摩擦片、對(duì)偶片和粘性流體組成，圖1所示為液壓控制系統(tǒng)原理圖，該系統(tǒng)由控制回路和冷卻回路兩個(gè)部分組成。

油液經(jīng)溢流閥調(diào)定壓力后，先通過一個(gè)由電動(dòng)控制閥和手動(dòng)控制閥串聯(lián)先導(dǎo)控制的伺服閥，控制出口油壓及流量。隨后油液到達(dá)奧米伽閥，奧米伽閥閥芯會(huì)依靠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的離心力自動(dòng)調(diào)節(jié)入口開度，以達(dá)到控制作用在油缸上的油液壓力的目的。壓力作用在液壓缸上壓緊離合器摩擦片，就能夠提高帶負(fù)載的能力。

本文重點(diǎn)研究對(duì)象為液壓系統(tǒng)控制回路中的伺服閥，其主要作用就是與電磁控制閥和手動(dòng)控制閥共同作用，限制伺服閥閥口流量，調(diào)整控制油壓使閥芯受力平衡，從而控制出口油壓。

2 基于AMESim的仿真模型建立

本文基于法國(guó)Imagine公司推出的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)AMESim來進(jìn)行相關(guān)研究。AMESim擁有一套標(biāo)準(zhǔn)且優(yōu)化的應(yīng)用庫，避免了繁瑣的數(shù)學(xué)建模，但并不能完全表述一些特殊結(jié)構(gòu)的非標(biāo)準(zhǔn)閥件，比如本次研究的對(duì)象——液粘調(diào)速離合器液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵閥件伺服閥，這時(shí)就需要利用液壓元件設(shè)計(jì)庫來建立符合相應(yīng)特性的模型。

伺服閥如圖2所示為一個(gè)三通閥[2]。首先考慮其控制油腔，該腔容積可變，與閥芯位置相關(guān)，所以可使用如圖3所示的活塞模型來表示。該模型有1個(gè)容腔和1個(gè)進(jìn)出油口，進(jìn)油、出油由容腔容積的變化決定。

圖3中由控制油腔的外部變量可以看出，端口1在傳遞油壓和流量信號(hào)的同時(shí)，還傳遞了一個(gè)用于考慮油液可壓縮性的容積變量，因此該端口還需要與一個(gè)容積模型相連接。控制油腔模型中還有另外2個(gè)端口與活塞從兩端相連接用于傳遞位移和力，因?yàn)樵撃Ｐ突钊欢藶樽杂啥?，可加上零力源模型，另一端則與閥芯相連[3]。

對(duì)于伺服閥中的節(jié)流結(jié)構(gòu)，可使用滑閥閥芯配環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，開口面積如圖4所示。

圖中x為閥口開度，為正數(shù)時(shí)，閥口打開，閥芯兩端通道接通，中間有油液流通；為負(fù)數(shù)時(shí)，閥芯與閥座重疊，開口阻斷。

對(duì)于節(jié)流口，計(jì)算油液流通流量及對(duì)應(yīng)壓降時(shí)，需使用孔口節(jié)流公式[4]：

式中：Cq為流量系數(shù)；A為節(jié)流口面積；ΔP為出入口油壓差；ρ為油液密度；ρ(0)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下油液密度。

建立閥口模型時(shí)，根據(jù)該伺服閥的閥口結(jié)構(gòu)，在AMESim中選擇對(duì)應(yīng)模型為環(huán)形開口模型，如圖5所示。該模型有4個(gè)端口，根據(jù)圖2所示伺服閥結(jié)構(gòu)，泄油口進(jìn)油口對(duì)應(yīng)端口1。因此在出油口到泄油口模型中，端口1為泄油口；在進(jìn)油口到出油口模型中，端口1為進(jìn)油口，然后兩個(gè)模型中的端口2相連即組成出油口。上述模型中還有比較重要的參數(shù)，如閥芯圓弧度和閥芯閥座配合間隙。

圖6中rc為閥芯弧度，dc為閥芯閥座配合間隙。在考慮配合間隙以及閥芯圓弧的情況下，閥開口的節(jié)流面積公式為：

(2)

式(2)中的一些尺寸參數(shù)俱可以在圖6中找到，并由AMESim通過閥口開度x自行計(jì)算。當(dāng)x為負(fù)，該節(jié)流口連接的兩通道相當(dāng)于關(guān)閉，但也有部分油液通過閥芯與閥座的配合間隙流動(dòng)，流量計(jì)算公式為：

式中：Kg為使該流量公式在x=0時(shí)連續(xù)的系數(shù)。

環(huán)形開口模型還有一個(gè)參數(shù)為液動(dòng)力系數(shù)。在油液流經(jīng)閥口時(shí)，由于動(dòng)量的變化對(duì)閥芯產(chǎn)生一定的作用力為：

式中：a為節(jié)流口面積；θ為油液出流角；Δp為閥口前后壓差。

最后，伺服閥中的彈簧結(jié)構(gòu)可采用元件庫中的彈簧腔模型表示。

將以上模塊組合在一起，就可得到最終的伺服閥的整個(gè)模型，如圖7所示，其中加入質(zhì)量塊是用于限制閥芯的位移。

3 仿真分析

前文介紹過，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，直接將模型加入到整體系統(tǒng)中去不易發(fā)現(xiàn)問題所在。為了測(cè)試伺服閥的相關(guān)特性，將伺服閥從整體系統(tǒng)中獨(dú)立出來進(jìn)行仿真分析，所得簡(jiǎn)化模型如圖8所示。為了得到控制油壓與出口油壓之間的關(guān)系，將控制油壓作為控制量，采用恒壓源模擬其控制油壓使控制油壓大小成階梯狀變化，而伺服閥進(jìn)油端連接液壓泵，出油端連接液壓缸。

設(shè)置控制油壓由2bar增大到10bar，如圖9中曲線1所示，經(jīng)仿真后發(fā)現(xiàn)伺服閥出口油壓變化如圖9中曲線2所示，曲線3為伺服閥入口油壓，維持在30.25bar左右。

由圖9可以觀察到出口油壓隨控制油壓的改變而發(fā)生的變化：在控制油壓小于4bar時(shí)，伺服閥的出口沒有壓力,說明此時(shí)的閥口還未打開；當(dāng)控制油壓繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí),發(fā)現(xiàn)此時(shí)閥口打開且油壓迅速增長(zhǎng)，控制油壓增長(zhǎng)2bar的情況下出口油壓增長(zhǎng)了近10bar。此外，在控制油壓發(fā)生改變時(shí)，出口油壓均會(huì)發(fā)生少許震蕩，但不超過1s又恢復(fù)平穩(wěn)，說明仿真的閥塊響應(yīng)良好。

由圖9可知，想要打開閥口產(chǎn)生出口油壓需要一定的控制油壓，而伺服閥中的彈簧預(yù)緊力能夠影響該控制油壓值。設(shè)置控制油壓曲線如圖10所示，彈簧預(yù)緊力分別為150.0N、270.5N、350.0N時(shí)，控制油壓分別在2bar、4bar、5bar時(shí)打開閥口出現(xiàn)油壓。由此可知，預(yù)緊力越大則閥口打開所需控制油壓也越大，但閥口出口壓力隨控制油壓的變化梯度并沒有明顯變化，出口壓力對(duì)控制油腔的油壓變化仍然十分敏感。

控制閥口打開實(shí)際上是控制閥芯的位移，觀察閥芯的位移以及出口油壓可以發(fā)現(xiàn)閥芯的位移變化很小，因?yàn)樗欧y出油口的重疊量為4mm，所以閥芯位移在大于4mm后閥口才打開。圖11中是彈簧預(yù)緊力為270.5N時(shí)的閥芯位移曲線，對(duì)比圖10中的控制油壓以及出口油壓可以看出，其位移變化雖然不大，但帶來的出口油壓的變化是很大的。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

液粘調(diào)速離合器試驗(yàn)臺(tái)布置如圖12所示，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、聯(lián)軸器、液粘調(diào)速離合器、負(fù)載電機(jī)。主要試驗(yàn)伺服閥及其所在液壓系統(tǒng)的工作情況，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500r/min，主要觀察當(dāng)在控制箱上改變控制電流時(shí)，箱體上顯示工作油壓的壓力表的變化情況，同時(shí)將伺服閥塊模型放入液壓系統(tǒng)中去構(gòu)成完整的控制回路，觀察伺服閥在回路中的工作情況，得到控制電流所對(duì)應(yīng)的油缸工作壓力，數(shù)據(jù)記錄見表1，對(duì)比曲線圖如圖13所示。

5 結(jié)束語

本文給出的針對(duì)伺服閥的建模仿真方法，為液壓系統(tǒng)中其他非標(biāo)準(zhǔn)閥件模型的建立提供了一種新的思路，為今后液粘調(diào)速離合器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。通過液壓系統(tǒng)試驗(yàn)得出的電流和伺服閥出口油壓數(shù)值與液壓控制回路仿真得出的仿真結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相符，誤差沒有超過規(guī)定的15%的范圍。但目前僅是針對(duì)液壓系統(tǒng)的仿真研究，存在的誤差對(duì)以后總體系統(tǒng)的研究的影響還未知，還需要對(duì)可能產(chǎn)生誤差的因素如模塊子模型的選取、部分參數(shù)的設(shè)定、模型的復(fù)雜程度進(jìn)行進(jìn)一步的研究并完系統(tǒng)善模型，使仿真結(jié)果能夠更好地指導(dǎo)產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)。

[1] 魏宸官，趙家象．液體粘性傳動(dòng)技術(shù)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1996：3-5.

[2] 李壯云．液壓元件與系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：198-202.

[3] 付永領(lǐng)，齊海濤．LMSImagine.LabAMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：4 -31.

[4] 胡明祥．對(duì)節(jié)流孔口流量特性的討論[J]．鄂州大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，8(4)：60-61.

Modeling and simulation for servo valve in hydraulic system of hydroviscous variable speed clutch based on AMESim

TIAN Yuqi, WANG Tianchi, WU Fan, CHANG Zhenluo, HOU Tianzhu

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute of China Shipbuilding Industry Co., Shanghai, 200090, China)

In order to establish the complete hydraulic control circuit of hudroviscous variable speed clutch, it takes the servo valve as example to propose the technology of modeling and simulating for non-standard valves in the circuit. Based on the analysis of operation principle for hydraulic system in hudroviscous variable speed clutch and the structure of servo valve, it builds the model of servo valve with the simulation software AMESim, analyzes the relation of controlling oil pressure and output oil pressure, simulates the influence factor of output oil pressure. The result indicates the initial segment tension of spring, decides the controlling oil pressure which can open the valve port but have no effect on the changing variation gradient of output oil pressure. It also describes the relation of controlling electric current and working oil pressure, compares the result with test data. The results show that the simulation of servo valve is consistent with the test data. This provides reference for other modeling and simulation of non-standard valves.

hydroviscous variable speed clutch; hydraulic system; servo valve; AMESim; modeling and simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.003

2015-03-20

田宇琦(1991—)，男，江蘇鹽城人，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇脵C(jī)械傳動(dòng)裝置。

TH137.52

A

2095-509X(2015)05-0011-05