王新晴，王文夫

(中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007)

0 前言

電液伺服系統(tǒng)在民用和軍用各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如航天、冶金、化工等領(lǐng)域。電液伺服閥作為電液伺服系統(tǒng)的核心元件，具有線性度好、響應(yīng)速度快、壓力靈敏度高、壓力和溫度零漂小、控制精度高等優(yōu)點(diǎn);它實(shí)現(xiàn)了電、液信號(hào)的轉(zhuǎn)換與放大，其性能關(guān)系到整個(gè)伺服系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。電液伺服閥結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜和精密，對(duì)電液伺服閥進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真是研究其性能非常有效的途徑，有大量文獻(xiàn)采用AMESim 軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并證明了其模型的有效性。

銜鐵組件作為兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥中的關(guān)鍵部分，受到來(lái)自控制電流產(chǎn)生的電磁力，來(lái)自支撐彈簧管的力矩，噴嘴噴射在擋板上的液壓力，以及反饋桿的力，其力學(xué)分析復(fù)雜，并且銜鐵組件不在AMESim 軟件的HCD 庫(kù)中，需要自定義建立子模型。

本文作者對(duì)二級(jí)噴嘴擋板電液伺服閥的銜鐵組件進(jìn)行詳細(xì)的物理模型分析和數(shù)學(xué)建模，對(duì)不在AMESim軟件液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)(HCD)中的銜鐵組件，利用AMESet 軟件建立銜鐵組件自定義子模型，最終建立兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥的AMESim 模型，并進(jìn)行性能仿真測(cè)試，得到的流量、壓力特性曲線證明了該模型的有效性。為下一步研究二級(jí)噴嘴擋板電液伺服閥的參數(shù)、性能優(yōu)化及故障仿真奠定基礎(chǔ)。

1 兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理

兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥主要由力矩馬達(dá)、雙噴嘴擋板先導(dǎo)級(jí)閥和四凸肩的功率級(jí)滑閥3 個(gè)部分組成，第一級(jí)為雙噴嘴擋板閥，稱(chēng)為前置放大級(jí)，由力矩馬達(dá)控制;第二級(jí)為四邊滑閥，稱(chēng)為功率放大級(jí)，閥芯通過(guò)反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構(gòu)成滑閥位移力反饋回路。其具體結(jié)構(gòu)圖1所示。薄壁的彈簧管5支撐銜鐵3 和擋板組件7，并作為噴嘴擋板液壓閥的液壓密封。彈簧管從銜鐵擋板組件中伸出，其下端球頭插入主閥芯9 中間的小槽內(nèi)，構(gòu)成閥芯對(duì)力矩馬達(dá)的力反饋。左右兩個(gè)固定節(jié)流孔10 與兩個(gè)噴嘴6 及擋板7 間的可變節(jié)流孔組成液阻橋路。

圖1 兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)電流信號(hào)輸入控制線圈時(shí)，銜鐵上產(chǎn)生磁通，與永磁鐵的固定磁通相互作用產(chǎn)生電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧管轉(zhuǎn)動(dòng)中心偏轉(zhuǎn)，擋板偏離中位，引起滑閥兩側(cè)控制油腔壓力失衡，推動(dòng)閥芯向相應(yīng)的方向運(yùn)動(dòng)。閥芯運(yùn)動(dòng)將帶動(dòng)反饋桿運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的反饋力矩反饋到力矩馬達(dá)上，直到反饋桿反饋力矩、噴嘴擋板的液壓力矩和輸入電流信號(hào)產(chǎn)生電磁力矩相平衡時(shí)，閥芯將停止運(yùn)動(dòng)，其位移與控制電流成比例。輸入控制線圈的電流越大，銜鐵偏轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩、擋板偏離中位的位移以及閥芯的偏移量越大，電液伺服閥輸出的流量也越大。

2 銜鐵組件數(shù)學(xué)模型的建立

銜鐵組件包括銜鐵、擋板和反饋桿，其示意圖如圖2所示，對(duì)建立數(shù)學(xué)模型的必要參數(shù)及其說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖2 銜鐵組件示意圖

表1 銜鐵組件各部分參數(shù)說(shuō)明

下面對(duì)銜鐵組件各個(gè)部分分別進(jìn)行受力分析，在此假設(shè):銜鐵為剛體，并考慮微小的位移，如銜鐵重心在水平方向的位移xg，彈簧管頂端在水平方向的位移xt等。

(1)銜鐵

銜鐵有兩個(gè)自由度:銜鐵旋轉(zhuǎn)角度θ，銜鐵重心在水平方向上的位移xg。由于考慮微小位移，銜鐵在受到電磁力矩時(shí)的細(xì)微變化都要計(jì)算。銜鐵在受到電磁力矩時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由于支撐銜鐵的彈簧管下端固定，受力發(fā)生變形時(shí)，其頂端會(huì)有水平方向上的微小位移，這樣銜鐵不僅在繞著重心有一定轉(zhuǎn)角，而且在水平方向也有微小的位移，設(shè)銜鐵重心水平位移xg，支撐銜鐵的彈簧管頂端水平上移動(dòng)xt，它們之間的關(guān)系可由結(jié)構(gòu)示意圖得到:

銜鐵上作用的電磁力矩可以用銜鐵兩端的上、下側(cè)的4 個(gè)作用力來(lái)表示:

(2)彈簧管

彈簧管的力與力矩可由文獻(xiàn)中的公式得到:

為簡(jiǎn)化書(shū)寫(xiě)，令K11=12/L3，K12=K21=-6/L2，K22=4/L，則公式可改寫(xiě)為:

(3)擋板

擋板所受力由兩噴嘴噴出的液壓力做差得到:

(4)反饋桿

反饋桿的實(shí)際位移必須要考慮到銜鐵重心的位移xg，并且注意到，反饋桿的實(shí)際位移的方向和銜鐵重心的位移方向相反，設(shè)xw為閥芯相對(duì)于平衡位置的位移，且水平向右方向?yàn)檎?，按圖1所示方向旋轉(zhuǎn)，反饋桿的實(shí)際位移為xg-d3θ-xw

則反饋桿的反饋力為:

(5)銜鐵組件的狀態(tài)方程

有了上面各部分的公式，可以得到銜鐵組件的方程如下:

則整個(gè)銜鐵組件狀態(tài)方程用向量形式表達(dá)如下:

3 銜鐵組件AMESet 的建模

AMESim 全稱(chēng)Advanced Modeling Environment for performing Simulations of engineering systems，工程系統(tǒng)高級(jí)建模和仿真平臺(tái)，是當(dāng)今領(lǐng)先的傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。AMESet 是AMESim 軟件包的一部分，它提供了完善的用戶接口，利用AMESet 可以創(chuàng)建自己的子模型擴(kuò)大AMESim 的能力，更適應(yīng)自己的應(yīng)用。文中的銜鐵組件不在AMESim 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，因此需要利用AMESet 自定義創(chuàng)建。

根據(jù)AMESet 的建模方法將銜鐵組件的物理模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示，由上述的數(shù)學(xué)模型分析得知，銜鐵組件需要有7 個(gè)端口(Ports)和7 個(gè)內(nèi)部變量(internal variable)。7 個(gè)端口和7 個(gè)內(nèi)部變量的具體設(shè)置和說(shuō)明見(jiàn)表2、3。

圖3 銜鐵AMESet 示意圖

表2 端口變量和設(shè)置

續(xù)表2

表3 7 個(gè)內(nèi)部變量

設(shè)置好上述13 個(gè)實(shí)參數(shù)(表1，不包括θ)，7個(gè)端口的變量(表2)，以及7 個(gè)內(nèi)部變量(表3)后，根據(jù)兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模型代碼的編寫(xiě)。點(diǎn)擊“生成子模型代碼”按鈕，AMESet 會(huì)自動(dòng)生成子模型代碼框架，在代碼編輯模式下，只需要在指定位置書(shū)寫(xiě)代碼即可。根據(jù)上面的推導(dǎo)出的公式，對(duì)模型進(jìn)行代碼編寫(xiě)如下:

編寫(xiě)好代碼之后，還需要用圖標(biāo)設(shè)計(jì)器設(shè)計(jì)一個(gè)圖標(biāo)，并注明端口;點(diǎn)擊“編譯”按鈕，就可以生成一個(gè)自定義子模型了，如圖4、5所示。

最后，添加新的類(lèi)別(Add Category)，將銜鐵的子模型放入其中，這樣，在使用AMESim 建模時(shí)就可以像使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的部件一樣使用該銜鐵組件子模型了。

圖4 圖標(biāo)設(shè)計(jì)器作圖

圖5 銜鐵模型外部變量

4 兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥AMESim 建模與仿真

使用AMESim 中的電磁庫(kù)和液壓庫(kù)，以及自定義的銜鐵組件，可以建立一個(gè)完整的雙噴嘴擋板電液伺服閥的模型，如圖6所示，該模型設(shè)置為空載，運(yùn)行該兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥AMESim 模型，通過(guò)流量和壓力特性曲線，驗(yàn)證銜鐵模型的有效性以及整個(gè)伺服閥的性能。

圖6 兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥空載流量模型

實(shí)參數(shù)的設(shè)置在AMESim 的仿真運(yùn)行中非常關(guān)鍵，參考國(guó)內(nèi)、外伺服閥的參數(shù)和規(guī)格以及部分文獻(xiàn)，經(jīng)過(guò)多次仿真運(yùn)行試驗(yàn)，得到如下伺服閥關(guān)鍵參數(shù)，具體如表4、5所示。

表4 銜鐵組件參數(shù)

表5 其他參數(shù)

輸入電信號(hào)為0.2 Hz 的正弦波，大小10 mA，時(shí)間5 s;仿真時(shí)間5 s，打印時(shí)間0.001 s。

測(cè)試伺服閥閥的靜態(tài)特性。首先，畫(huà)出閥出口壓力和閥芯位移的函數(shù)關(guān)系曲線，即壓力特性曲線，如圖7所示，可以看到伺服閥的在很小的閥芯位移壓力即可達(dá)到最大值，即壓力增益很大，說(shuō)明伺服閥對(duì)負(fù)載流量的控制很靈敏。

然后，畫(huà)出伺服閥的流量特性曲線，即輸入電流和流量函數(shù)關(guān)系曲線，如圖8所示。理論上空載流量特性曲線是呈環(huán)狀的函數(shù)曲線，是輸入電流在正負(fù)額定電流之間的一個(gè)完整循環(huán)。由圖可以看到，空載流量特性曲線呈環(huán)狀，并且具有非常好的線性度和很小滯環(huán)，這證明了模型的有效性。

圖7 壓力特性曲線

圖8 流量特性曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥中的銜鐵組件進(jìn)行了詳細(xì)的物理模型分析和數(shù)學(xué)建模，并在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)說(shuō)明了利用AMESet 軟件自定義建立銜鐵組件子模型的過(guò)程和參數(shù)設(shè)置;建立兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥整體的模型后，仿真運(yùn)行獲得的曲線證明了銜鐵組件子模型和兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥整體模型的有效性。銜鐵組件是故障比較集中的組件，詳細(xì)了解該組件的物理和仿真模型，為下一步進(jìn)行兩級(jí)雙噴嘴擋板電液伺服閥的故障診斷和仿真奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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