浅谈物理模型的电液调节阀动态设计与研究

目前的电液调节阀由电液执行机构和调节调节阀组成，主要用于对调节阀要求大推力（推力矩）、长行程、高精度、快速响应的大型工业项目中，控制生产过程所需的物料或能量供给。随着工业过程控制要求的提高，对调节阀的动态响应性能提出了更高的要求。电液执行机构的动态特性是影响电液调节阀动态响应性能的主要因素。计算机仿真技术为在制造出具体的液压系统前获得有关该系统的动态响应信息提供了合适的方法。设计人员能否准确完成预先的动态响应特性分析，关键在于能否建立一个精确的动态仿真模型。Dasgupta等探讨了液压系统油液选择的仿真模型。肖景岐等建立了液压配流阀系统的仿真模型。吕云嵩提出了阀控缸的统一频域模型。然而在实际操作中，由于液压系统各部件具有比较强的非线性耦合现象，很难获得精确的数学模型，直接利用传统的微分和差分方程建立的模型进行仿真并不能很好地反映实际系统的动态响应过程。

本文作者提出了一种基于物理建模仿真的液压系统动态设计方法，可以比较方便反映液压系统各元器件之间的相互影响关系。在此基础上，以电液调节阀为研究对象，建立了电液调节阀的物理仿真模型，进行了预测动态响应分析，为电液调节阀系统的优化设计提供了参考。

1　动态设计原理

图1 动态设计流程图

基于物理模型的液压系统动态设计流程如图1所示。设计任务是做任何设计的依据，动态设计需首先明确系统的设计任务[6]，但这并不意味着必须确定采用哪种特定的系统，仅仅是规定所应完成的任务。工况分析主要分析设计任务中各个执行元件在工作过程中的速度、负载等的变化规律，了解其所规定的响应品质，通常这是所需系统响应形式的一条以时间和响应幅值为坐标的时域曲线。对于拟定系统及其元器件这一步则需具体选出合适的回路构成完整的系统原理图，选取恰当的元器件并确定其主要参数。在完成系统与元器件的拟定后，建立基于AMESim平台的物理仿真模型并进行动态响应的仿真分析，当预测响应品质满足或通过参数优化能够满足期望响应的品质要求时，结束动态设计，形成最终设计方案；否则，需对所拟定的系统进行修改。

AMESim在统一的平台上可以实现包括机械、液压、气动、热、电和磁等多学科领域的物理建模，而且模型库中不同物理领域的模型单元都经过严格的测试和实验验证[7]。建模从元器件设计出发，既可考虑油液性质、环境温度、摩擦等难以建模的部分，也可根据系统在制造装配前确定的方案设置各部件的关键结构参数，如液压缸缸筒的内径、长度、活塞杆直径等，保证仿真情况与工程实际情况最大程度地接近。

2　电液调节阀液压系统设计

图2 电液调节阀系统原理图

拟定的电液调节阀液压系统原理如图2所示。启动液压泵，并使二位二通电磁换向阀1的电磁铁通电，此时整个液压系统工作在调定的压力下，调节溢流阀2可以改变液压系统的工作压力。计算机根据调节阀系统的设置，经D/A转换，以模拟信号的形式输出设定信号，使电液比例方向阀3工作。液压泵输出的压力油一路给蓄能器5充液，储备液压能，以备快速关闭或开启的应急功能；另一路经过电液比例方向阀3进入液压缸9，推动活塞移动，调节阀门10打开。位移传感器实时检测调节阀开口量，经A/D转换，将信号输入计算机，经过电液调节阀控制器的处理后，又将信号输出给电液比例方向阀。电液比例方向阀根据传来的信号符号与大小确定调节阀执行机构的移动方向和位移量，也就是调整调节阀开口的大小。电磁换向阀6用于实现电液调节阀快速关闭或开启的应急功能，而手动换向阀8用于实现调节阀的机械手轮降级操作。

3　物理仿真模型的建立

电液调节阀正常工作时，电磁换向阀1、6和手动换向阀8处于关闭状态，蓄能器5在系统的正常工作压力下将充满液并保持稳定状态。因此，建模仿真时可省略电磁换向阀1以及用于应急功能和机械手轮降级操作的部件，主要分析过滤装置、泵、溢流阀、电液比例方向阀、液压缸以及负载之间的动态关系。图3为应用AMESim建立的电液调节阀物理仿真模型。与调节阀执行机构刚性连接的运动部件总质量集中于质量元件M上，执行机构摩擦特性也通过M施加。除摩擦力、调节阀门的阀芯不平衡力外，其余作用于执行机构的负载通过力转换单元F施加。

图3 电液调节阀物理仿真模型图

4　电液调节阀动态响应的仿真分析

在传统的液压系统设计中，确定液压泵的压力规格时，需对进油管路上的压降进行估计，然后在工作压力中加上进油管路压降的估计值，从而克服管路额外压降对系统正常工作的影响。但在实际操作中，很难在设计阶段对额外压降进行有效的估计。图4、5分别为根据调节阀设计阶段确定的参数进行仿真后得到的调节阀开度和执行机构速度曲线。仿真中油液密度为850kg/m³，动力粘度为5.1×10^-2 Pa•s，温度为40℃，泵的流量为55L/min，液压缸缸筒内径为35mm，长度为1m，活塞杆直径为15mm，质量元件M质量为20kg，粘性摩擦系数为0.2，风力系数为0.3，库仑摩擦力为100N，静摩擦力为150N，力转换单元F为负2500N，调节阀门所控流体入口压力p为2.3MPa。考虑到进油管路上的额外压降，溢流阀开启压力为3.8MPa。

图4 调节阀开度曲线

图5 执行机构速度曲线

由图4、5可知，调节阀从全关到60%开度的响应时间约为0.7s，响应速度比较快，但执行机构速度在调节阀的开启过程中始终处于变化状态，在开启的初期还存在一个振荡过程，难以确保调节阀的稳定调节，进而造成整个系统控制品质的变差。为了保证调节阀系统的稳定性，需对设计阶段确定的参数进行优化。应用AMESim的批处理功能，将溢流阀的开启压力在3.8MPa基础上，每次递减0.01MPa，变化80次的情况下运行批处理仿真。经筛选，当溢流阀的开启压力为3.8MPa、3.6MPa、3.55MPa、3.42MPa时，调节阀开度和执行机构速度曲线分别如图6、7中的曲线1—4所示。由图可知，当溢流阀的开启压力为3.55MPa时，在保证调节阀响应速度的同时确保调节阀执行机构的稳定运行。

从这个动态仿真结果可以提前预知所设计的电液调节阀系统的动态特性的优劣，如还不满足所要求的设计指标，则可进一步改进系统的设计，直至满足设计要求为止。

5　结论

本文作者介绍了基于AMESim平台的液压系统动态设计原理，建立了电液调节阀的物理仿真模型，进行了动态响应的仿真分析。基于AMESim的物理建模方式可以避免繁琐的公式推导，使设计研究人员从数学建模中解放出来，从而更加专注于物理系统本身的设计。仿真结果表明，通过对实际物理系统的各种工作状况进行动态仿真，除了可以确定最佳参数匹配外，还可使各种设计缺陷在制造出具体的液压系统前就显现出来并得到及时有效的处理，从而缩短设计周期，降低制造成本。

参考文献

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