目前的電液調(diào)節(jié)閥由電液執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥組成，主要用于控制生產(chǎn)過程中所需的材料或能量供應，需要大推力（推力矩）、長行程、高精度、快速響應。隨著工業(yè)過程控制要求的提高，對調(diào)節(jié)閥的動態(tài)響應性能提出了更高的要求。電液執(zhí)行機構的動態(tài)特性是影響電液調(diào)節(jié)閥動態(tài)響應性能的主要因素。計算機模擬技術為在制造特定的液壓系統(tǒng)之前獲取系統(tǒng)的動態(tài)響應信息提供了合適的方法。設計師能否準確地完成預先的動態(tài)響應特性分析，關鍵是能否建立一個準確的動態(tài)模擬模型。Dasgupta討論了液壓系統(tǒng)油選擇的模擬模型。肖景琪等建立了液壓配流閥系統(tǒng)的模擬模型。呂云松提出了閥控缸的統(tǒng)一頻域模型。但在實踐中，由于液壓系統(tǒng)各部件非線性耦合現(xiàn)象強，難以獲得準確的數(shù)學模型，傳統(tǒng)的微分差分方程模型不能很好地反映實際系統(tǒng)的動態(tài)響應過程。

本文提出了一種基于物理建模模擬的液壓系統(tǒng)動態(tài)設計方法，可以更方便地反映液壓系統(tǒng)各部件之間的相互影響。在此基礎上，以電液調(diào)節(jié)閥為研究對象，建立了電液調(diào)節(jié)閥的物理模擬模型，進行了預測動態(tài)響應分析，為電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了參考。

1　動態(tài)設計原理

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圖1

基于物理模型的液壓系統(tǒng)動態(tài)設計過程如圖1所示。設計任務是任何設計的基礎。動態(tài)設計首先需要澄清系統(tǒng)的設計任務[6]，但這并不意味著需要確定使用哪個特定的系統(tǒng)，而只是指定應完成的任務。工作條件分析主要分析設計任務中各執(zhí)行元件的速度和負載的變化規(guī)律，了解規(guī)定的響應質(zhì)量，通常是以時間和響應范圍為坐標的時域曲線。對于系統(tǒng)及其組件起草，應選擇合適的電路，形成完整的系統(tǒng)原理圖，選擇合適的組件，并確定其主要參數(shù)。系統(tǒng)和組件的起草完成后，建立基于AMESim當預測響應質(zhì)量滿足或參數(shù)優(yōu)化能夠滿足預期響應質(zhì)量要求時，平臺的物理模擬模型和動態(tài)響應模擬分析結束動態(tài)設計，形成最終設計方案；否則，需要修改擬定的系統(tǒng)。

AMESim在統(tǒng)一的平臺上，可以實現(xiàn)機械、液壓、氣動、熱、電、磁等多學科的物理建模，模型庫中不同物理領域的模型單元經(jīng)過嚴格的測試和實驗證[7]。從組件設計開始，不僅可以考慮油性、環(huán)境溫度、摩擦等難以建模的部件，還可以根據(jù)制造裝配前確定的方案設置液壓缸缸內(nèi)徑、長度、活塞桿直徑等關鍵結構參數(shù)，確保模擬最大限度地接近工程實際情況。

2　電液調(diào)節(jié)閥液壓系統(tǒng)設計

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圖2 電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)原理圖

擬定的電液調(diào)節(jié)閥液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。啟動液壓泵，使兩位二通電磁換向閥1的電磁鐵通電。此時，在調(diào)整壓力下，調(diào)整溢流閥2可以改變液壓系統(tǒng)的工作壓力。計算機根據(jù)調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的設置D/A轉(zhuǎn)換，以模擬信號的形式輸出設置信號，使電液比方向閥3工作。液壓泵輸出的壓力油一路給蓄能器充電5，儲備快速關閉或打開的應急功能；另一路通過電液比方向閥3進入液壓缸9，促進活塞移動，調(diào)節(jié)閥10打開。位移傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換，將信號輸入計算機，在電液調(diào)節(jié)閥控制器處理后，將信號輸出到電液比例方向閥。電液比例方向閥根據(jù)信號符號和大小確定調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的移動方向和位移，即調(diào)整調(diào)節(jié)閥開口的大小。電磁換向閥6用于實現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關閉或打開的應急功能，手動換向閥8用于實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機械手輪降級。

3　物理仿真模型的建立

當電液調(diào)節(jié)閥正常作時，電磁換向閥1、6、手動換向閥8處于關閉狀態(tài)，蓄能器5在系統(tǒng)正常工作壓力下充滿液體，保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在建模模擬過程中，可以省略電磁換向閥1和用于應急功能和機械手輪降級的部件，主要分析過濾裝置、泵、溢流閥、電液比方向閥、液壓缸和負載之間的動態(tài)關系。圖3顯示了應用程序AMESim建立的電液調(diào)節(jié)閥物理模擬模型。與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構剛性連接的運動部件總質(zhì)量集中在質(zhì)量部件上M執(zhí)行機構的摩擦特性也通過M施加。除了調(diào)節(jié)閥門的摩擦力和閥芯的不平衡力外，執(zhí)行機構的其他負載通過力轉(zhuǎn)換單元F施加。

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圖3

4　電液調(diào)節(jié)閥動態(tài)響應的仿真分析

在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設計中，在確定液壓泵的壓力規(guī)格時，需要估計進油管道上的壓降，然后在工作壓力中增加進油管道壓降的估計值，以克服額外壓降對系統(tǒng)正常工作的影響。但在實際操作中，很難在設計階段有效地估計額外的壓降。圖4和是根據(jù)調(diào)節(jié)閥設計階段確定的參數(shù)模擬的調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機構速度曲線。模擬中的油密度為850kg/m³，動力粘度為5.1×10^-2 Pa•s，溫度為40℃，泵的流量為55L/min，液壓缸缸筒內(nèi)徑為35mm，長度為1m，直徑為15的活塞桿mm，質(zhì)量元件M質(zhì)量為20kg，粘性摩擦系數(shù)為0.2.風力系數(shù)為0.3.庫侖摩擦1000N，靜摩擦力為150N，力轉(zhuǎn)換單元F為負2500N，調(diào)節(jié)閥控制的流體入口壓力p為2.3MPa。考慮到進油管道上的額外壓降，溢流閥的開啟壓力為3.8MPa。

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圖4 調(diào)節(jié)閥開度曲線

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圖5 執(zhí)行機構速度曲線

從圖4和圖5可以看出，調(diào)節(jié)閥從全關到60%的響應時間約為0.7s，響應速度相對較快，但在調(diào)節(jié)閥開啟過程中，執(zhí)行機構的速度始終處于變化狀態(tài)。開啟初期仍存在振蕩過程，難以保證調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，導致整個系統(tǒng)控制質(zhì)量惡化。為了保證調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要優(yōu)化設計階段確定的參數(shù)。應用程序AMESim批處理功能，溢流閥的開啟壓力為3.8MPa在此基礎上，每次遞減0.01MPa，運行批處理仿真80次。篩選后，當溢流閥打開壓力為3時.8MPa、3.6MPa、3.55MPa、3.42MPa時，調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機構速度曲線分別如圖6、7中的曲線1—4所示。由圖可知，當溢流閥的開啟壓力為3.55MPa在保證調(diào)節(jié)閥響應速度的同時，保證調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構的穩(wěn)定運行。

從這個動態(tài)模擬結果中，我們可以提前預測電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果設計指標不符合要求，系統(tǒng)的設計可以進一步改進，直到滿足設計要求。

5　結論

本文作者介紹了基礎AMESim基于平臺液壓系統(tǒng)的動態(tài)設計原理，建立了電液調(diào)節(jié)閥的物理模擬模型，進行了動態(tài)響應模擬分析。AMESim物理建?？梢员苊夥爆嵉墓酵茖В乖O計研究人員從數(shù)學建模中解放出來，從而更加注重物理系統(tǒng)本身的設計。模擬結果表明，通過動態(tài)模擬實際物理系統(tǒng)的各種工作條件，不僅可以確定最佳參數(shù)匹配，還可以在制造特定的液壓系統(tǒng)之前出現(xiàn)各種設計缺陷，及時有效地處理，縮短設計周期，降低制造成本。

參考文獻

[1] 何衍慶、邱宣振、楊潔等1控制閥工程設計與應用[M].北京：2005年化工出版社.
[2] 陸培文.調(diào)節(jié)閥的實用技術[M].北京：2006年機械工業(yè)出版社.
[3] K Dasgupta，A Chattapadhyay，S K Mondal.Selection of Fire Resistant Hydraulic Fluids through System Modeling Simulation [J].Simulation Modeling Practice and Theory，2005，13（1）：1-20.
[4] 肖景岐、張鐵柱、張洪信等.液壓約束活塞發(fā)動機配流閥系統(tǒng)的工作過程[J].719-722中國機械工程，2007，18(6).
[5] 呂云嵩.閥控非對稱缸頻域建模[J].機械工程學報，2007，43(9).
[6] O C Onar，M Uzunoglu，M S A lam.Dynamic Modeling，Design and Simulation of a Wind/Fuel Cell/Ultra－capacitor Based Hybrid Power Generation System[J].Journal of Power Sources，2006，161（1）：707-722.
[7] 曹樹平、羅小輝、胡軍華等.自適應蓄能器電路吸收壓力脈動[J].2008年19(6)中國機械工程:671-674.
[8] 付永領，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真———從入門到精通[M].北京：2006年北京航空航天大學出版社.