肖體兵，蘇乃權(quán)，洪永，溫怡彰，鄒大鵬，吳百海

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.佛山市恒力泰機(jī)械有限公司，廣東佛山 528031)

0 前言

在液壓傳動(dòng)及控制技術(shù)的發(fā)展過程中，比例控制和插裝閥技術(shù)在20世紀(jì)的最后20年中得到了快速發(fā)展，被公認(rèn)為是現(xiàn)代液壓技術(shù)最重要的進(jìn)展和轉(zhuǎn)折點(diǎn)［1］。電液比例插裝閥是通過改變液壓控制中的先導(dǎo)級，使液壓控制由間斷開關(guān)控制發(fā)展到連續(xù)比例控制，具有流量大、響應(yīng)快、耐高壓、壽命長等特點(diǎn)，滿足快速、平穩(wěn)、高精度的技術(shù)要求。因此，在鍛造壓機(jī)、注塑機(jī)、壓鑄機(jī)等大型壓機(jī)中得到廣泛應(yīng)用［2-3］。另外，插裝閥的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)集成化配置，不受流量的限制，解決了大流量系統(tǒng)難以集成的難題，管路布置靈活，并可減少配管，使液壓泵和油箱的布置也具有更大的靈活性［4］。

恒力泰公司的YP3500型陶瓷磚壓機(jī)的壓力控制主要由ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥來完成。該閥的性能直接影響到壓機(jī)壓力的控制精度，而壓力控制的準(zhǔn)確性直接影響到瓷磚的質(zhì)量。研究的主要目的是建立該型比例流量插裝閥的準(zhǔn)確仿真建模，為建立YP3500型壓力的整機(jī)仿真模型奠定基礎(chǔ)。

1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥工作原理

1.1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥結(jié)構(gòu)分析

YP3500型壓磚機(jī)的壓力閉環(huán)控制是由ATOS的LIQZO-LE-322型二通比例流量插裝閥來實(shí)現(xiàn)的。該閥屬于位移-電反饋插裝式比例節(jié)流閥，其結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。該閥主要由閥芯1、閥套2、位移傳感器3、比例方向先導(dǎo)閥4和集成電控器5組成。圖中D、E兩腔的壓力由先導(dǎo)閥控制，稱為控制腔，先導(dǎo)閥接單獨(dú)的控制油路。C腔面積略大于A腔，兩腔由閥芯內(nèi)部的通孔連接，保證兩腔壓力一致，使主閥閥芯能夠快速可靠地被關(guān)閉和打開。主閥芯的尾部安裝有LVDT位移傳感器，可直接檢測主閥閥芯位移。

圖1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥的結(jié)構(gòu)和原理簡圖

從圖1中可以看到，先導(dǎo)閥為一個(gè)帶閥芯位移反饋的高頻響電液比例方向閥，由比例電磁鐵、位移傳感器、閥芯、控制器組成先導(dǎo)閥閥芯位移的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。主閥閥芯的驅(qū)動(dòng)裝置相當(dāng)于一個(gè)比例方向閥控制雙作用活塞缸的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制原理框圖如圖2所示。

圖2 ATOS的LIQZO-LE型比例流量插裝閥結(jié)構(gòu)和原理簡圖

1.2 工作原理分析

LIQZO-LE型比例流量插裝閥的控制信號有電壓(0～10 V)和電流(4～20 mA)，下面以采用電壓控制信號為例來介紹其工作原理。

(1)斷電狀態(tài)

當(dāng)比例流量插裝閥沒有通電即處于斷電狀態(tài)時(shí)，先導(dǎo)閥處于左位 (常位、保護(hù)位)，控制缸的D腔通高壓油，E腔與油箱相連，主閥發(fā)信處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2)通電關(guān)閉狀態(tài)

當(dāng)比例流量插裝閥通電而控制電壓信號為零時(shí)，先導(dǎo)閥處于中位。由于先導(dǎo)閥的中位機(jī)能為H型，此時(shí)控制缸的D腔與E腔相連通，壓力相等。由于控制電壓信號為零，故此時(shí)控制缸的位移也為零，主閥閥芯處于動(dòng)態(tài)零位關(guān)閉狀態(tài)。

(3)通電開啟狀態(tài)

當(dāng)比例流量插裝閥通電且控制電壓信號大于零時(shí)，比例先導(dǎo)閥開啟處于右位，高壓控制油經(jīng)過先導(dǎo)閥到達(dá)控制缸的E腔，而D腔通過先導(dǎo)閥與油箱相連，于是控制缸就會(huì)驅(qū)動(dòng)主閥芯向上移動(dòng)，主閥閥芯開啟。主閥閥芯的開口大小與控制電壓信號成正比，主閥芯的實(shí)際開口大小由固定連接在主閥芯尾部的的位移傳感器實(shí)時(shí)檢測，并反饋至放大器，形成閉環(huán)反饋，實(shí)現(xiàn)對主閥芯位移的精確控制。

從該比例流量插裝閥的工作原理可知，主油路對主閥芯的作用力基本平衡，主閥芯的位移由先導(dǎo)閥控制D、E兩腔的壓力來控制，與主油路的流量和壓力無關(guān)，所以閥的開啟和關(guān)閉具有雙向主動(dòng)控制的特點(diǎn)，稱之為雙主動(dòng)型比例流量插裝閥。雙主動(dòng)型比例流量插裝閥通過對主閥芯位置的精確定位，控制了閥口的開度，從而實(shí)現(xiàn)流量控制的目的。主閥芯帶有緩沖頭，還可避免開啟關(guān)閉時(shí)的沖擊。

2 ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥的AMESim仿真模型

利用AMESim提供的標(biāo)準(zhǔn)模型庫以及HCD元件庫搭建起來的LIQZO-LE型比例流量插裝閥的仿真模型如圖3所示。為了簡化模型，考慮先導(dǎo)閥為高頻響閥，因此先導(dǎo)閥直接采用液壓庫中的3位4通“H”型中位的伺服閥來建模。主閥部分沒有可直接調(diào)用的相應(yīng)模型，根據(jù)其工作原理，利用HCD元件庫構(gòu)建主閥的模型。13為主閥的節(jié)流口，采用通流面積與閥開口成函數(shù)關(guān)系的仿真模型BAO21(spool with specific orifice)，也可采用比較簡單的帶矩形節(jié)流槽的BAO0002子模型。9、10、12為主閥芯控制腔，選用BAP11-piston活塞子模型。利用飽和模塊來限制控制器的輸出電流信號不會(huì)超過伺服先導(dǎo)閥的額定電流。

圖3 LIQZO-LE322型比例流量插裝閥的AMESim仿真模型

2.1 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

通過設(shè)置和修改仿真模型的參數(shù)的數(shù)值，使得閥的動(dòng)靜態(tài)特性與技術(shù)資料中給出的相符。在參數(shù)的設(shè)置中，要注意的事項(xiàng)如下:

(1)死區(qū)特性的保證

該閥存在10%左右的死區(qū)。如模塊13采用BAO0002子模型，為了實(shí)現(xiàn)該特性，在參數(shù)設(shè)置時(shí)，先確定主閥閥芯位移xv的最大值xvmax和最大控制電壓信號為umax，再將“控制信號-位移增益”模塊的增益kux設(shè)為:

然后在主節(jié)流口模塊13的參數(shù)“underlap corresponding to zero displacement”中設(shè)定閥芯遮蓋量x0(即死區(qū))的大小，該參數(shù)設(shè)為:

考慮死區(qū)之后，則主閥閥芯的開口xev為:

(2)壓差-流量特性的保證

由于流量-壓差特性:是電液比例插裝閥在實(shí)際應(yīng)用中最受關(guān)注的性能之一。反映了電液比例插裝閥的通流能力［5］。該閥產(chǎn)品樣本提供的閥口壓降為0.5 MPa和1 MPa時(shí)的最大流量分別為800和1 120 L/min。

壓差的設(shè)置相對比較容易，但要注意考慮油管的壓力損失，要保證閥的A口和B口之間壓差為0.5 MPa或1 MPa。難點(diǎn)在于流量的保證，其關(guān)鍵是通流面積的設(shè)置，因?yàn)榱髁康母淖兪峭ㄟ^改變節(jié)流口模塊13的通流面積來實(shí)現(xiàn)的。

如模塊13采用BAO21子模型，通過多次仿真，再對比仿真結(jié)果與產(chǎn)品說明書給出的空載流量特性曲線，最終得到如表1所示的節(jié)流口通流面積與閥開口、閥芯位移間關(guān)系。

表1 節(jié)流口開度與通流面積關(guān)系表

(3)動(dòng)態(tài)特性的保證

ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥的打開時(shí)間是15 ms。主閥閥芯的打開就是一個(gè)典型的液壓閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性越好，閥打開的時(shí)間就越短。影響閥的打開時(shí)間的參數(shù)主要有:(1)最大閥芯位移;(2)控制缸的兩個(gè)控制腔D、E的容積大小;(3)PID控制器的參數(shù);(4)閥芯質(zhì)量和摩擦力;(5)先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)特性。

(4)AMESim仿真模型主要的仿真參數(shù)

經(jīng)過多次仿真結(jié)果與產(chǎn)品樣本所提供性能的對比，最終確定的仿真模型的主要參數(shù)如表2所示。

表2 LIQZO型二通比例流量插裝閥仿真模型的有關(guān)仿真參數(shù)

3 動(dòng)靜態(tài)特性的仿真分析

(1)靜態(tài)特性的仿真分析

空載流量特性即輸出流量隨輸入信號的變化曲線，是評價(jià)比例節(jié)流閥的靜態(tài)特性的重要指標(biāo)之一，在實(shí)際應(yīng)用中受到普遍關(guān)注［6］。圖4(a)所示是廠家提供的該閥閥口壓差Δp=0.5 MPa時(shí)的空載流量特性曲線。

根據(jù)比例節(jié)流閥動(dòng)靜態(tài)特性測試方案，將仿真模型與油源、油箱、控制信號相連之后就可搭建其測試系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。設(shè)控制油源的壓力為14 MPa，將仿真模型的輸入控制電壓信號設(shè)為0～10 V的斜坡信號，對模型進(jìn)行仿真，則可得到如圖4(b)所示的該閥的空載流量特性曲線。從圖中可以看出，仿真曲線與產(chǎn)品樣本給出的性能曲線非常接近;該閥存在10%左右的死區(qū);閥口壓降為0.5 MPa和1 MPa時(shí)的最大流量分別為792和1 120 L/min。

圖4 LIQZO-LE-322型比例流量插裝閥的空載流量特性

主油源壓力分別設(shè)為0.522 MPa和1.04 MPa(考慮油管壓降，保證主閥節(jié)流口壓降約為0.5 MPa和1 MPa)，控制電壓信號在t=0.2 s時(shí)從0階躍到10 V，得到如圖5所示主閥閥口的流量變化情況。

圖5 LIQZO-LE-322比例流量插裝閥流量的階躍響應(yīng)特性

由圖5可知:(1)死區(qū)的存在導(dǎo)致流量輸出有延遲;(2)流量從穩(wěn)態(tài)流量的10%達(dá)到90%所需的時(shí)間約為15 ms。廠家提供的該通徑的比例流量插裝閥的從10%的開口到90%的開口的打開時(shí)間約為15 ms，閥口壓降為0.5 MPa時(shí)的最大流量為800 L/min，閥口壓降為1 MPa時(shí)的最大流量為1 100 L/min。因此，仿真結(jié)果與廠家給出的技術(shù)指標(biāo)比較相符。

輸入控制信號u=5.45+3.45sin(2πft)，當(dāng)f=3 Hz時(shí)，輸出流量的幅值為628.6 L/min;當(dāng)f=30 Hz時(shí)，輸出流量的幅值為433 L/min;如圖6所示。兩者的比值為0.6888，衰減了3.23 dB。仿真結(jié)果與產(chǎn)品樣本給出的伯德圖相符。

圖6 LIQZO-LE-322比例流量插裝閥流量的頻率響應(yīng)特性

如果采用通流面積與閥開口成正比的節(jié)流口仿真模塊BAO0002(spool with rectangular slot orifices)，則可得到如圖7所示的空載流量特性曲線，與產(chǎn)品樣本所給曲線相差較遠(yuǎn)。

圖7 采用線性通流面積的LIQZO-LE-322閥的空載流量特性仿真曲線

4 結(jié)論

通過利用AMESim的HCD庫提供的基本模塊，根據(jù)ATOS的LIQZO型二通比例流量插裝閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，搭建起了二通比例流量插裝閥的仿真模型，分析了影響其動(dòng)靜態(tài)特性的仿真參數(shù)。通過仿真結(jié)果和產(chǎn)品樣本提供的性能參數(shù)的對比，證明了所建立的仿真模型是準(zhǔn)確的。該研究成果對其他比例流量插裝閥的建模具有借鑒意義。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，比例流量插裝閥的長期使用后，其各種性能與樣本所給出的可能存在一定的偏差。此時(shí)，仿真模型的參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)測的動(dòng)靜態(tài)來進(jìn)行設(shè)置。

［1］劉能宏，田樹軍.液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性數(shù)字仿真［M］.大連:大連理工大學(xué)出版社，1993.

［2］黃火兵，夏偉，屈盛官，等.比例控制與插裝閥技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.機(jī)床與液壓，2007，35(4):229-231.

［3］李百煉.二通插裝閥的結(jié)構(gòu)、原理及其在液壓機(jī)上的應(yīng)用［J］.裝備，2009(5):76-79.

［4］徐建方.多軸鉆孔機(jī)床液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和插裝閥的應(yīng)用研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2011(1):47-49.

［5］付永領(lǐng)，祁曉野.LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［6］于良振，王明琳，方錦輝.大流量電液比例插裝閥液壓測試試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2010(9):37-39.