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基于AMESim的溢流閥動態特性研究
發布時間：2017-11-22
溢流閥是液壓系統中的重要設備。其主要作用是通過事先調定的壓力(溢流壓力)來限定系統的最大壓力，使液壓系統不超過溢流閥的調定值，從而對系統起過載保護作用。溢流閥的主要應用：①為定量泵系統溢流穩壓;②為變量泵系統提供過載保護;③實現遠程調壓;④用于多級調壓;⑤使泵卸荷;⑥作卸荷溢流閥用;⑦作制動閥用;⑧作背壓閥和加載閥用;⑨作溢流型調速閥的壓力補償閥。溢流閥按工作原理，分為直動式和先導式兩種。與先導式溢流閥比較，直動式溢流閥結構簡單、價格便宜。研究液壓系統動態特性，過去用得較多的是古典控制工程中的傳遞函數分析法。
由于此方法的諸多局限，對動態特性的研究一直缺乏較成熟的方法。現代研究液壓系統動態特性的途徑主要是通過計算機仿真技術，建立仿真模型進而研究溢流閥動態特性，目前比較成熟的方法主要有兩種：一是基于一定的程序語言環境(如VB、VC、MATLAB[2]等)通過功率鍵合圖建立數學模型，進而編制仿真程序，把系統抽象為一系列的動態微分方程，通過運行程序對方程的求解進行仿真。這種方法的特點是所建模型結構嚴謹，但需編寫大量程序。二是基于直觀的圖形界面的建模平臺，直接在仿真平臺(如SIMULINK、AMESim[1]等)上建立元件仿真模型，設置參數進行仿真，在整個仿真過程中系統模擬可以顯示在該平臺中。這種方法的顯著優勢是不用編寫大量復雜的程序，而且其界面直觀友好，是未來仿真方法的發展方向之一。AMESim 是多學科領域復雜系統建模與仿真平臺，為工程師提供了一個協同系統仿真的軟件環境。工程師可以在 AMESim 平臺上建立復雜的多學科領域系統模型，深入研究系統和元件動態及穩態性能，幫助用戶更快更好地完成設計任務。AMESim憑借面向工程應用的定位、多學科跨專業的耦合平臺、快捷準確的建模方式和超強的交互仿真能力在世界范圍內取得了巨大的成功，成為航空航天、汽車、液壓等工業研發部門系統仿真的標準平臺級工具。
AMESim 具有液壓元件設計庫 HCD 庫(包括 THCD庫)和氣動元件設計庫(PCD 庫)等，這些庫通過采用結構單元的細分來處理物理元件的多樣性，這為對液(氣)壓系統某個元件特性的研究提供了極大的方便。
1建立仿真模型
根據國家標準，直動式溢流閥的實驗系統如圖 1。
由上述實驗系統圖在 AMESim環境下建立仿真模型如圖2。
該模型中參數設置如表 1 所示。
2 仿真曲線驗證
此仿真模型中仿真，得到閥芯的仿真動態特性曲線：閥芯位移-時間曲線;閥芯壓力-時間曲線，分別如圖 3、圖4。實驗曲線如圖 5。
比較特性曲線及其參數可知，結果基本一致。其中仿真曲線的過渡時間較短是因為仿真平臺軟件本身的原因―――其環境中系統阻尼較小所致。實驗曲線出現的頻率近于200Hz的液壓脈動，是由于液壓泵的輸油脈動所引起的，仿真時忽略其影響，故仿真曲線中無此波動。
由上述判定此模型是正確的，所以這種仿真方法是合理可用的。
3 動態特性仿真及分析
通過改變流量、壓力等主要參數得到了與其他方法相一致的動態特性曲線。而在 AMESim 環境仿真過程中另外發現了一些對溢流閥動態特性影響也比較明顯的其他參數。這些參數主要有：油液彈性模量、閥芯質量、粘滯系數等。其各自影響如下：
3.1 油液彈性模量的影響
由圖 6、圖 7 可知，油液的彈性模量越大，特性曲線超調量越大，上升時間越快;過渡時間越長，即閥的噪聲越大、閥的靈敏度越高，穩定性越差;說明油液彈性模量對閥的靈敏度及信噪比影響較大，這是因為油液彈性模量與油液容性相關。
3.2閥芯質量的影響
由圖 8、圖 9 可知閥芯質量越大，特性曲線超調量越大，上升時間越慢，過渡時間越長;即閥的噪聲越大、閥的靈敏度越低，穩定性越差;說明閥芯質量對閥的靈敏度及信噪比影響較大，這是因為閥芯質量越大、慣性越大的緣故。
3.3粘滯系數的影響
由圖10、圖11可知，粘滯系數越大，特性曲線超調量越大，上升時間越慢，過渡時間越長;即閥的噪聲越大、閥的靈敏度越低，說明流量對閥的靈敏度及信噪比影響較大，這是因為粘滯系數越大，系統阻尼越大。
4 其 他
由上述結果分析可看出，有些不同的參數影響著溢流閥動態特性的同一方面，因此推斷是參數之間的數學關系(不只是各個參數本身) 在決定著溢流閥的動態特性。為此在仿真的過程中同時改變兩個或兩個以上參數的值，結果發現一定范圍內，是參數之間的一定的數學關系決定著閥的動態特性(雖然并不是線性的或嚴格的非線性函數關系)。所以在設計和制造閥的時候，應該綜合的考慮各個參數，用系統的觀點控制閥的參數。
5結 論
使用新的方法在 AMESim 環境下研究溢流閥的動態特性，所得動態特性仿真曲線和實驗曲線基本一致，說明該方法所建立的模型是合理正確的。通過一系列的仿真得到的結論，對溢流閥結構優化及其他閥的研究等后續工作有一定的參考價值。
摘自：中國計量測控網
