目前的电液调节阀由电液执行机构和调节阀组成，主要用于控制生产过程中所需的材料或能量供应，需要大推力（推力矩）、长行程、高精度、快速响应。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。计算机模拟技术为在制造特定的液压系统之前获取系统的动态响应信息提供了合适的方法。设计师能否准确地完成预先的动态响应特性分析，关键是能否建立一个准确的动态模拟模型。Dasgupta讨论了液压系统油选择的模拟模型。肖景琪等建立了液压配流阀系统的模拟模型。吕云松提出了阀控缸的统一频域模型。但在实践中，由于液压系统各部件非线性耦合现象强，难以获得准确的数学模型，传统的微分差分方程模型不能很好地反映实际系统的动态响应过程。
本文提出了一种基于物理建模模拟的液压系统动态设计方法，可以更方便地反映液压系统各部件之间的相互影响。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模拟模型，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
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图1
基于物理模型的液压系统动态设计过程如图1所示。设计任务是任何设计的基础。动态设计首先需要澄清系统的设计任务[6]，但这并不意味着需要确定使用哪个特定的系统，而只是指定应完成的任务。工作条件分析主要分析设计任务中各执行元件的速度和负载的变化规律，了解规定的响应质量，通常是以时间和响应范围为坐标的时域曲线。对于系统及其组件起草，应选择合适的电路，形成完整的系统原理图，选择合适的组件，并确定其主要参数。系统和组件的起草完成后，建立基于AMESim当预测响应质量满足或参数优化能够满足预期响应质量要求时，平台的物理模拟模型和动态响应模拟分析结束动态设计，形成最终设计方案；否则，需要修改拟定的系统。
AMESim在统一的平台上，可以实现机械、液压、气动、热、电、磁等多学科的物理建模，模型库中不同物理领域的模型单元经过严格的测试和实验证[7]。从组件设计开始，不仅可以考虑油性、环境温度、摩擦等难以建模的部件，还可以根据制造装配前确定的方案设置液压缸缸内径、长度、活塞杆直径等关键结构参数，确保模拟最大限度地接近工程实际情况。
2 电液调节阀液压系统设计
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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，使两位二通电磁换向阀1的电磁铁通电。此时，在调整压力下，调整溢流阀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D/A转换，以模拟信号的形式输出设置信号，使电液比方向阀3工作。液压泵输出的压力油一路给蓄能器充电5，储备快速关闭或打开的应急功能；另一路通过电液比方向阀3进入液压缸9，促进活塞移动，调节阀10打开。位移传感器通过A/D转换，将信号输入计算机，在电液调节阀控制器处理后，将信号输出到电液比例方向阀。电液比例方向阀根据信号符号和大小确定调节阀执行器的移动方向和位移，即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打开的应急功能，手动换向阀8用于实现调节阀的机械手轮降级。
3 物理仿真模型的建立
当电液调节阀正常作时，电磁换向阀1、6、手动换向阀8处于关闭状态，蓄能器5在系统正常工作压力下充满液体，保持稳定状态。因此，在建模模拟过程中，可以省略电磁换向阀1和用于应急功能和机械手轮降级的部件，主要分析过滤装置、泵、溢流阀、电液比方向阀、液压缸和负载之间的动态关系。图3显示了应用程序AMESim建立的电液调节阀物理模拟模型。与调节阀执行机构刚性连接的运动部件总质量集中在质量部件上M执行机构的摩擦特性也通过M施加。除了调节阀门的摩擦力和阀芯的不平衡力外，执行机构的其他负载通过力转换单元F施加。
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图3
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，在确定液压泵的压力规格时，需要估计进油管道上的压降，然后在工作压力中增加进油管道压降的估计值，以克服额外压降对系统正常工作的影响。但在实际操作中，很难在设计阶段有效地估计额外的压降。图4和是根据调节阀设计阶段确定的参数模拟的调节阀开度和执行机构速度曲线。模拟中的油密度为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，直径为15的活塞杆mm，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1000N，静摩擦力为150N，力转换单元F为负2500N，调节阀控制的流体入口压力p为2.3MPa。考虑到进油管道上的额外压降，溢流阀的开启压力为3.8MPa。
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图4 调节阀开度曲线
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图5 执行机构速度曲线
从图4和图5可以看出，调节阀从全关到60%的响应时间约为0.7s，响应速度相对较快，但在调节阀开启过程中，执行机构的速度始终处于变化状态。开启初期仍存在振荡过程，难以保证调节阀的稳定调节，导致整个系统控制质量恶化。为了保证调节阀系统的稳定性，需要优化设计阶段确定的参数。应用程序AMESim批处理功能，溢流阀的开启压力为3.8MPa在此基础上，每次递减0.01MPa，运行批处理仿真80次。筛选后，当溢流阀打开压力为3时.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在保证调节阀响应速度的同时，保证调节阀执行机构的稳定运行。
从这个动态模拟结果中，我们可以提前预测电液调节阀系统的动态特性。如果设计指标不符合要求，系统的设计可以进一步改进，直到满足设计要求。
5 结论
本文作者介绍了基础AMESim基于平台液压系统的动态设计原理，建立了电液调节阀的物理模拟模型，进行了动态响应模拟分析。AMESim物理建模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，从而更加注重物理系统本身的设计。模拟结果表明，通过动态模拟实际物理系统的各种工作条件，不仅可以确定最佳参数匹配，还可以在制造特定的液压系统之前出现各种设计缺陷，及时有效地处理，缩短设计周期，降低制造成本。
参考文献
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