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        基于AMESim的先導(dǎo)式比例減壓閥建模與仿真

        2015-04-16 08:51:24武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)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
        液壓與氣動(dòng) 2015年2期
        關(guān)鍵詞:主閥減壓閥電磁鐵

         , ,  , ,   (1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)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(chē)運(yùn)行時(shí)對(duì)軌道路基的動(dòng)力響應(yīng)可認(rèn)為由列車(chē)軸重的靜壓力與各種振蕩因素導(dǎo)致的動(dòng)壓力共同作用的結(jié)果[1]。

        軌道路基動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試激振系統(tǒng)主要單元由雙級(jí)伺服液壓缸和液壓激振系統(tǒng)構(gòu)成,用來(lái)模擬上述列車(chē)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(hào)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(kù)[4]。AMESim具有豐富的模型庫(kù),用戶(hù)可以采用基本元素法,按照實(shí)際物理系統(tǒng)來(lái)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(hù)能夠借助其友好的、面向?qū)嶋H應(yīng)用的方案來(lái)研究任何元件或回路的動(dòng)力學(xué)特性,使AMESim在航空航天工業(yè)、汽車(chē)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(duì)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(dòng)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(jí)由B型半橋構(gòu)成,比例電磁鐵輸出力與作用在錐閥芯測(cè)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(jí)提供的指令力;左端面是主級(jí)的反饋測(cè)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(jí)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(kāi)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(kù)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(gè)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(duì)減壓閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真,并對(duì)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(dòng)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(chēng)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R(shí)1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R(shí)2等參數(shù)對(duì)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R(shí)1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R(shí)1孔徑只是決定了出口壓力大小,對(duì)負(fù)載流量特性斜率沒(méi)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(duì)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R(shí)1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R(shí)1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(dòng)態(tài)特性分析

        減壓閥的動(dòng)態(tài)特性是指在變化輸入信號(hào)下,減壓閥出口壓力、流量等參數(shù)對(duì)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(lái)描述。

        圖9從上到下依次為固定阻尼孔R(shí)1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R(shí)1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(guò)閥口油液的瞬間沖擊強(qiáng)度越大,因此出口壓力的波動(dòng)頻率和幅值較大。負(fù)載出口腔V2容積對(duì)出口壓力影響較小,但其容積太大會(huì)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(duì)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(guò)仿真實(shí)驗(yàn),分析了其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)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(duì)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(dòng)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。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]李 鵬,陳新元,等.軌道路基動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試激振系統(tǒng)壓力伺服閥控制研究[J].液壓與氣動(dòng),2013,(8):62-65.

        [3]王文娟,曾良才,等.軌道路基動(dòng)力響應(yīng)液壓激振系統(tǒng)仿真[J].機(jī)床與液壓,2011,(11):138-141.

        [4]付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真-從入門(mén)到精通[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

        [5]王慶,魯植雄.基于AMESmi的流量放大閥建模和仿真研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2009, (10):137-139.

        [6]許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

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