基于AMESim的先導閥芯驅動大流量可控閥動態(tài)特性仿真研究

劉紅亮，胡東方

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術學院汽車工程系，河南新鄉(xiāng) 453000；2.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽 471000)

0 前言

電液比例系統通常由多級放大結構組成，利用電磁鐵等驅動裝置實現對先導閥的驅動，通過先導閥形成液壓能來控制主閥閥芯，為主閥芯配備了壓力和位移傳感器，并跟驅動信號調控系統一起實現閉環(huán)調節(jié)的功能。由于閥體積很小，充分滿足快速響應的應用需求，整體運行性能穩(wěn)定，被廣泛應用在液壓機、工程動力設備等大流量液壓系統。

目前已有較多學者對電液比例開展了相關研究。WOODACRE等主要針對動閥套反饋進行了比例方向閥方面的研究工作，同時為先導閥與主閥構建了數學建模以獲得傳遞函數，提出了不同的補償方式，同時利用Simulink軟件分別對動靜態(tài)條件進行了模擬仿真，通過實驗發(fā)現，采用分段PID控制算法獲得了最優(yōu)的死區(qū)補償效果。張勇等人使用能夠實現獨立換向的先導閥來減少閥芯質量，發(fā)揮良好的結構死區(qū)補償效果。FALLAHI等重點分析了電液位置伺服系統的控制過程，同時為該系統構建了相應的數學模型，與靜態(tài)誤差方法相比，獲得了更快的系統響應速度，同時控制精度也顯著提升。李勝等人根據水壓數字控制閥控制原理，開發(fā)了一種壓電致動器，使它滿足整閥的應用要求，最后制備得到樣機，通過測試得到壓力、流量參數變化結果與理論結果吻合。

本文作者主要對大流量可控閥開展研究，以電機提供驅動力實現絲杠的運動調節(jié)，控制先導閥芯為主閥控制腔提供閥芯啟動壓力，從而控制主閥芯的運動；為主閥配備節(jié)流窗口以獲得連通的流量，由此精確調節(jié)流量比參數。

1 控制系統原理

本文作者利用電機絲杠構建可以大流量調節(jié)的電機械轉換系統，達到較高控制精度，顯著減小液壓沖擊載荷。圖1所示為大流量可控閥結構。進入比例工作狀態(tài)時，電機為絲杠螺母轉動提供動力，同時驅動先導閥驅動件開啟先導閥的進液閥芯，此時高壓液通過進液流道到達主閥控制腔中，關閉主閥芯回液口；然后，推動主閥進液閥芯右移，開啟主閥進液閥芯的節(jié)流窗口后進行流量輸出，直至閥芯關閉。在關閉狀態(tài)下，電機帶動絲杠螺母與先導閥驅動件左移，此時先導閥回液閥芯和頂桿也同樣發(fā)生左移，回液口跟主閥控制腔液體相連，主閥進液閥芯與先導回液閥芯保持異步跟隨狀態(tài)并左移至先導回液閥口重新關閉為止，從而實現對關閉過程的三芯隨動控制。

圖1 大流量可控閥結構

2 仿真分析

2.1 整閥模型

文中構建的可控閥模型由先導回液閥、進液閥、主回液閥以及主進液閥構成。由于先導進液閥與回液閥之間保持相同的位移量，可在先導進液閥與主進液閥間完成位置反饋的過程，因此選擇MECDSOB位移傳感器子模型來模擬級間位置的反饋過程。因為先導進液閥套包含了主閥芯，先導進液閥芯會跟閥套發(fā)生相對位移，可以通過BRP21球閥子模型對相對位移開展仿真測試。主閥是一種三角形態(tài)的非全周開口結構，因此設計BA00022非全周開口模型，并設定各項模擬參數。構建可控閥AMESim模型，同時以半實物圖形的模式對可控閥進行模擬。圖2所示為構建的大流量可控閥AMESim模型。

圖2 大流量可控閥AMESim仿真模型

大流量可控閥由主閥和先導閥共同構成，先導進液閥座與主閥芯形成相互嵌套的狀態(tài)，實現先導閥和主閥的位置信息反饋。當先導閥達到更高的控制精度時，主閥控制精度得到顯著提升，但同時也需注意，如果增益過大則會造成系統運行過程出現波動，此時應對級間位置匹配開展更深入探討。

2.2 設置結構參數

為建立更加完善的可控閥模型，給出如表1所示的閥體參數。在此次仿真實驗中，利用方波信號調節(jié)電機的運行參數，分別以1與0表示高電平與低電平信號，設定頻率為2 Hz，仿真時間為2 s，步長為0.001 s，結果如圖3所示。

表1 可控閥仿真模型相關參數

圖3 輸入方波控制信號

3 動態(tài)特性仿真分析

3.1 階躍響應特性

階躍響應屬于時域測試方法，考慮到階躍信號會出現階躍斷點，可將它作為一種嚴峻工作信號。根據可控閥能否適應階躍信號變化特征及其各項性能參數指標來判斷可控閥的性能。將階躍控制信號輸入仿真模型中再開展仿真測試，以準確調節(jié)可控閥各部位階躍響應曲線。圖4所示為閥芯位移和流量階躍響應曲線。

圖4 閥芯位移和流量階躍響應

由圖4可知：主閥芯按照一階系統響應趨勢運動6 mm，閥芯被開啟，且輸出流量為300 L/min，液體流入主閥控制腔中，由于此時主回液閥芯已被開啟，該部分油液到達主回液閥芯并使其關閉；開始時刻，主回液閥芯已關閉，油液繼續(xù)進入主閥控制腔中會引起腔內壓力上升，在控制液的壓力作用下主閥芯發(fā)生動作；在=0.05 s時主閥芯保持在5.8 mm的開啟位移處，主閥出口流量為285 L/min，滿足預期設計要求；主閥芯發(fā)生了一定程度的振蕩，形成了約0.1 mm的穩(wěn)態(tài)誤差。

3.2 啟閉特性

將頻率為10 Hz的方波信號加入控制信號進行仿真，仿真時間為1 s，得到如圖5所示的先導閥和主閥的位移、流量曲線?？芍簩﹄姍C施加啟停信號后，每當絲杠進給一個信號，先導閥芯就會隨之產生位移，由此得到了具有階梯特征的分布結果，部分流量被分配至主回液閥，最終引起閥門關閉，導致主閥芯相對先導閥芯呈現明顯的滯后性，第1個方波信號形成了負增長的主閥芯速度變化特征；接著，先導閥芯開啟，主閥芯發(fā)生跟隨運動，在=0.05 s后，主閥芯速度響應比先導進液閥芯慢，存在顯著的滯后性，直至主閥芯全部開啟。

圖5 啟停信號下閥芯位移與流量響應

3.3 級間位置匹配分析

可控閥的啟閉控制受到多種參數匹配狀態(tài)的綜合影響。利用AEMSim設定控制信號，仿真分析大流量可控閥的比例開啟與關閉狀態(tài)。

圖6所示為比例階躍信號閥芯的位移啟閉曲線。輸入給定信號后，先導進液閥芯快速響應，按照階梯位移的方式跟隨給定信號動作，之后主閥芯也發(fā)生跟隨運動，從而在2 mm位移內完成響應，跟隨先導進液閥芯一起動作。在4～6 mm內，主閥芯無法滿足響應條件。當閥開啟程度較小時，只需很少的流量，即可完成快速響應，符合固定液阻飽和增益條件時，在小流量下主閥芯無法準確跟隨動作，形成了0.5 mm誤差。在比例關閉的過程中，先導進液閥芯和主閥芯都關閉，但依然會形成靜差。無論是開啟或關閉，先導進液閥都會異步跟隨，但會形成明顯的靜差，需進行適當調節(jié)。

圖6 比例階躍信號閥 圖7 斜坡啟閉過程

根據可控閥階躍和斜坡信號直動分析結果，為斜坡與階躍信號設定比例開啟方式，同時對比這兩種控制信號的優(yōu)勢與不足，以獲得最優(yōu)控制信號。圖7所示為先導閥輸入階段形成的斜坡信號與可控閥閥芯位移。可知：開啟斜坡信號時，主閥跟隨先導閥運動，但存在位移響應滯后且形成了0.5 mm穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結論

(1)階躍響應特性表明：=0.05 s時，在5.8 mm開啟位移處，主閥出口流量為285 L/min，滿足設計要求。

(2)啟閉特性表明：第1個方波信號形成了負增長的主閥芯速度變化特征，=0.05 s后，主閥芯速度存在顯著滯后性，直至主閥芯開啟。

(3)級間位置匹配特性表明：按照階梯位移的方式與給定信號進行跟隨動作，主閥芯也會發(fā)生跟隨運動，完成快速響應。