目前的電液調(diào)節(jié)閥由電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(yīng)，需要大推力（推力矩）、長行程、高精度、快速響應(yīng)。隨著工業(yè)過程控制要求的提高，對(duì)調(diào)節(jié)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能提出了更高的要求。電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是影響電液調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的主要因素。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)為在制造特定的液壓系統(tǒng)之前獲取系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信息提供了合適的方法。設(shè)計(jì)師能否準(zhǔn)確地完成預(yù)先的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析，關(guān)鍵是能否建立一個(gè)準(zhǔn)確的動(dòng)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(shí)踐中，由于液壓系統(tǒng)各部件非線性耦合現(xiàn)象強(qiáng)，難以獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，傳統(tǒng)的微分差分方程模型不能很好地反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

本文提出了一種基于物理建模模擬的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)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(chǔ)上，以電液調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，建立了電液調(diào)節(jié)閥的物理模擬模型，進(jìn)行了預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，為電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

1　動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理

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圖1

基于物理模型的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過程如圖1所示。設(shè)計(jì)任務(wù)是任何設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)首先需要澄清系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)[6]，但這并不意味著需要確定使用哪個(gè)特定的系統(tǒng)，而只是指定應(yīng)完成的任務(wù)。工作條件分析主要分析設(shè)計(jì)任務(wù)中各執(zhí)行元件的速度和負(fù)載的變化規(guī)律，了解規(guī)定的響應(yīng)質(zhì)量，通常是以時(shí)間和響應(yīng)范圍為坐標(biāo)的時(shí)域曲線。對(duì)于系統(tǒng)及其組件起草，應(yīng)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(dāng)預(yù)測(cè)響應(yīng)質(zhì)量滿足或參數(shù)優(yōu)化能夠滿足預(yù)期響應(yīng)質(zhì)量要求時(shí)，平臺(tái)的物理模擬模型和動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬分析結(jié)束動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，形成最終設(shè)計(jì)方案；否則，需要修改擬定的系統(tǒng)。

AMESim在統(tǒng)一的平臺(tái)上，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電、磁等多學(xué)科的物理建模，模型庫中不同物理領(lǐng)域的模型單元經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)證[7]。從組件設(shè)計(jì)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(shè)置液壓缸缸內(nèi)徑、長度、活塞桿直徑等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保模擬最大限度地接近工程實(shí)際情況。

2　電液調(diào)節(jié)閥液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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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(dòng)液壓泵，使兩位二通電磁換向閥1的電磁鐵通電。此時(shí)，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(jì)算機(jī)根據(jù)調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換，以模擬信號(hào)的形式輸出設(shè)置信號(hào)，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(chǔ)備快速關(guān)閉或打開的應(yīng)急功能；另一路通過電液比方向閥3進(jìn)入液壓缸9，促進(jìn)活塞移動(dòng)，調(diào)節(jié)閥10打開。位移傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換，將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在電液調(diào)節(jié)閥控制器處理后，將信號(hào)輸出到電液比例方向閥。電液比例方向閥根據(jù)信號(hào)符號(hào)和大小確定調(diào)節(jié)閥執(zhí)行器的移動(dòng)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(shí)現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉或打開的應(yīng)急功能，手動(dòng)換向閥8用于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機(jī)械手輪降級(jí)。

3　物理仿真模型的建立

當(dāng)電液調(diào)節(jié)閥正常作時(shí)，電磁換向閥1、6、手動(dòng)換向閥8處于關(guān)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(yīng)急功能和機(jī)械手輪降級(jí)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(fù)載之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。圖3顯示了應(yīng)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(jī)構(gòu)剛性連接的運(yùn)動(dòng)部件總質(zhì)量集中在質(zhì)量部件上M執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的其他負(fù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真分析

在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在確定液壓泵的壓力規(guī)格時(shí)，需要估計(jì)進(jìn)油管道上的壓降，然后在工作壓力中增加進(jìn)油管道壓降的估計(jì)值，以克服額外壓降對(duì)系統(tǒng)正常工作的影響。但在實(shí)際操作中，很難在設(shè)計(jì)階段有效地估計(jì)額外的壓降。圖4和是根據(jù)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)模擬的調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線。模擬中的油密度為850kg/m³，動(dòng)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(fēng)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(fù)2500N，調(diào)節(jié)閥控制的流體入口壓力p為2.3MPa?？紤]到進(jìn)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(jī)構(gòu)速度曲線

從圖4和圖5可以看出，調(diào)節(jié)閥從全關(guān)到60%的響應(yīng)時(shí)間約為0.7s，響應(yīng)速度相對(duì)較快，但在調(diào)節(jié)閥開啟過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(dǎo)致整個(gè)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(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)。應(yīng)用程序AMESim批處理功能，溢流閥的開啟壓力為3.8MPa在此基礎(chǔ)上，每次遞減0.01MPa，運(yùn)行批處理仿真80次。篩選后，當(dāng)溢流閥打開壓力為3時(shí).8MPa、3.6MPa、3.55MPa、3.42MPa時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線分別如圖6、7中的曲線1—4所示。由圖可知，當(dāng)溢流閥的開啟壓力為3.55MPa在保證調(diào)節(jié)閥響應(yīng)速度的同時(shí)，保證調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

從這個(gè)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果中，我們可以提前預(yù)測(cè)電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。如果設(shè)計(jì)指標(biāo)不符合要求，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步改進(jìn)，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

本文作者介紹了基礎(chǔ)AMESim基于平臺(tái)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)原理，建立了電液調(diào)節(jié)閥的物理模擬模型，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)模擬分析。AMESim物理建?？梢员苊夥爆嵉墓酵茖?dǎo)，使設(shè)計(jì)研究人員從數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而更加注重物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。模擬結(jié)果表明，通過動(dòng)態(tài)模擬實(shí)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(shè)計(jì)缺陷，及時(shí)有效地處理，縮短設(shè)計(jì)周期，降低制造成本。

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