基于AMESim的电磁比例换向阀的测试系统仿真与实验研究

廖义德,王 帅

(武汉工程大学 机电工程学院，武汉 430205)



基于AMESim的电磁比例换向阀的测试系统仿真与实验研究

廖义德,王 帅

(武汉工程大学 机电工程学院，武汉 430205)

以AMESim仿真设计为理论基础，研发了电磁比例换向阀性能测试试验台和基于虚拟仪器及 Visual C++软件的自动分析与测试系统，并对该阀的部分静态性能进行了仿真分析，仿真测试的结果表明：AMESim仿真对电磁比例换向阀性能测试试验台提出了合理可靠的设计方案，解决了该阀在安装调试过程中出现的搭载不匹配问题，对试验台的搭建具有重要的指导意义.

电磁比例换向阀；测试系统；性能测试；AMESim；仿真

电磁比例换向阀是电液比例控制系统中的关键元件，它是能使其输出油液的压力、流量和方向随输入电信号的正负变化而连续地、成比例地变化的一种方向流量控制阀.它能与电子控制设备相配合，对各种输入、输出信号进行非常简便的处理与计算，实现复杂的控制功能，而且又具备响应快、低廉、节能、抗油污染能力强的特点，在工业应用的许多领域中，电磁比例换向阀的性价比具备一定的技术优势，被誉为“廉价的伺服阀”，有着广阔的应用前景.

本文对电磁比例换向阀的性能测试原理进行了理论分析，按照国家机械行业检测标准，运用计算机辅助测试系统完成试验大纲中各项规定试验.由于测试方法复杂、试验成本高、液压元件之间配合有误差，现对测试过程中出现的一些问题进行预估，为液压试验台的设计方案提供参考依据.运用AMESim仿真软件对液压系统进行建模与仿真，根据仿真结果来验证所建模型的正确性，从而为测试系统的设计指导提供了很好的帮助.

1 液压系统的建模与仿真

仿真技术作为液压系统或液压元件设计的必要手段,已被业界普遍认知.国内外的液压仿真软件技术也愈趋于成熟，该测试系统的建模与仿真采用的是AMESim(Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems，AMESim)仿真软件，是1995年由法国IMAGINE公司基于键合图理论开发的液压仿真软件，用户可以在此单一平台上建立多学科领域且复杂的系统模型，并在此模型基础上进行仿真运算和精确分析，也能够在这个平台上研究任何液压系统或液压元件的静态和动态性能.

1.1 测试原理

电磁比例换向阀特性测试内容分为静态特性测试和动态特性测试两大部分.根据国标规定，静态特性测试一般包含稳态流量特性测试(输出流量-输入信号特性测试)、负载流量特性测试(输出流量-负载压差特性测试)、压力增益特性测试、阀内部泄漏特性测试、压力零漂、故障保护功能测试等.动态特性测试一般包含阶跃响应特性测试和频率响应特性测试.

图1 电磁比例换向阀负载回路AMESim仿真模型Fig.1 AMESim simulation model for the load loop of electromagnetic proportional directional valve

电磁比例换向阀静态特性测试采取开启与闭合各个截止阀的方式来切换不同的试验回路，通过采集被试阀各个油口的流量、压力、温度等数据，测试稳态流量特性、阀内部泄露特性、负载流量特性等.电磁比例换向阀动态特性测试采用小惯性、低摩擦的动态液压缸作为模拟负载，通过采集被试阀各个油口的压力和油缸的速度、位移参数，测试阶跃响应特性和频率响应特性.

1.2 电磁比例换向阀液压回路的仿真

运用AMESim仿真软件对电磁比例换向阀测试所需的液压回路进行模型搭建，本次建模中主要用到了标准液压库、信号控制库、机械库.根据测试项目的不同，对液压回路进行适当的简化，从而建立比较完善的模型，仿真模型如图1所示.仿真关键参数设置如表1所示.

1.3 仿真结果与分析

系统仿真时，设置仿真运行时间为5 s，采样周期为10 ms，得到电磁比例换向阀液压回路负载特性仿真曲线，如图2所示.

表1 仿真关键参数

图2 电磁比例换向阀负载特性仿真曲线Fig.2 The load characteristic simulation curve of electromagnetic proportional directional valve

这两组曲线表示液压缸运动速度随负载变化的规律，曲线的陡峭程度反映了运动速度受负载影响的程度(称为速度刚性)，曲线越陡，表明负载变化对速度的影响越大，即速度稳定性差，故这种回路只适用于低速、轻载的场合.从图2中可以看出：在供油压力恒定的情况下，调节被试阀输入信号，使电流信号在正负最大范围内循环，逐渐加载被试阀出口负载，被试阀输出流量随着负载压差的不断增大而缓慢减小.

2 测试系统组成与测试步骤

2.1 测试系统组成

图3 测试系统Fig.3 Test system

电磁比例换向阀性能测试系统由液压系统和计算机测控系统两部分构成.其中，液压系统包含油源、被试阀、恒压电源、截止阀、仪表计、负载等；测控系统包含PC机、A/D转换器、数据采集卡、参数传感器和Visual C++软件等.测试系统的基本组成如图3所示.

2.2 测试步骤

以电磁比例换向阀的负载流量特性测试为例，说明电磁比例换向阀特性的测试过程，试验回路原理图如图4所示.电磁比例换向阀的控制阀口一般属于薄壁节流孔口型，阀芯位移与输入电信号成比例变化，故通过T阀口的负载流量QL为

(1)

其中：QL表示通过滑阀阀口的流量(m3·s-1)；Cd表示阀口流量系数，一般取值为0.65；W表示阀口的面积梯度(m)；ρ表示油液密度(kg·m-3)；Ps表示液压油源压力(Pa)；PL表示负载压力(Pa)；XV表示滑阀阀口的开度，它与输入电流有关，可表示为XV=λ·i；λ表示电磁比例换向阀阀芯的位移-电流增益.

A-工作油口；B-工作油口；C-电动机；D-截止阀；E-流量计；F-压力传感器；G-压力表；H-先导式溢流阀；I-被试阀；L-油缸；P-进油口；T-回油口图4 电磁比例换向阀试验回路原理图Fig.4 Schematic diagram for the test circuit of electromagnetic proportional valve

由式(1)可以看出，电磁比例换向阀的流量不仅与阀的输入电流有关，还要受阀口两端的压力差的影响.为了获得输出流量和负载压差之间的关系，规定电磁比例换向阀的流量特性必须在规定阀压降的条件下进行测试.具体测试方法如下：

1)将被试阀I安装在转接块上，试验启动前，手动操作截止阀，使试验相关截止阀处于开启状态，打开软件主控测试界面.

2)启动电动机C，对电磁比例换向阀输入额定正向信号，对电磁比例换向阀输入额定正向信号，在软件界面中选择电流信号为100%.

3)待液压系统运行正常后，即软件界面实时数据曲线处于稳定状态时，点击开始记录按钮.手动缓慢调节先导式溢流阀H，使被测电磁比例换向阀的负载由小变大.观察压力表，检测A口与B口之间的负载压差ΔP，将被试电磁比例换向阀的进口压力调节到小于或等于其额定压力.检测流量传感器E的流量，即可得到输入额定正向信号时输出的负载流量大小.在每一次调节过程中，软件会自动采集压力、流量、压差等数据，并显示在软件数据表格上.一组数据采集完毕，还需将手动调节先导式溢流阀H，使被测电磁比例换向阀的负载变为最小.

图5 电磁比例换向阀负载流量特性试验结果Fig.5 The test results of load flow characteristics of electromagnetic proportional directional valve

4)重复步骤(2)和(3)，步骤(2)中软件界面上电流信号的大小依次选为75%、50%、25%、-25%、-50%、-75%、-100%，记录各组相关数据.

5)数据采集完毕后，点击软件界面上停止记录按钮，完成记录，然后点击实验启动/停止按钮，关闭试验台上各类相关液压设备.

6)点击软件上查看曲线按钮，查看对应流量-压差曲线.

7)点击生成报告按钮，获取相应数据及实验结论，实验完成.试验报告中应注明油液温度、油液类型、牌号、粘度.在测试过程中，初始状态的调整、特殊情况的处理、过程控制等测试操作都在计算机上完成.

2.3 试验测试结果

图5表示测试系统中电磁比例换向阀负载流量特性试验的测试结果.

对比图2和图5，可以看出：两个图的曲线比较近似，仿真曲线较真实地反映了电磁比例换向阀工作时的负载流量特性，AMESim仿真测试的结果，表明试验台液压系统设计完全合理，试验台搭建方案是可行的，能够完成电磁比例换向阀的各项性能试验.

3 结语

通过对电磁比例换向阀静动态性能的分析和研究，利用 AMESim软件对液压试验台的测试系统进行模型的搭建与仿真，重点对电磁比例换向阀的负载流量特性进行仿真测试，并在仿真基础上，对液压试验台进行合理构建，得出以下几点结论：①液压仿真技术的使用，缩短了液压试验台研制的时间，提高了设计效率，给试验台的开发完成提供了技术保障.②仿真过程中通过适当地修改设置参数，简化了复杂的设计工作，节约了大量的测试时间，达到了理想的测试效果.③试验结果表明，该试验台实现了对电磁比例换向阀性能的自动测试，设计方案具有较好的实用性和研究性，为试验台的自主研发提供了较好的参考价值.

[1] 姜万录,王燕山.电液伺服阀综合性能VICAT系统[J].机床与液压,2002(1):143- 144.

[2] 高亚东,傅周东.基于虚拟仪器的液压元件通用测试系统[J].液压与气动,2003(4):35- 37.

[3] 沈瑜,高晓丁,王筠.对称阀控非对称液压缸的电液比例位置控制系统建模与分析[J].陕西科技大学学报,2007,25(4):105-109．

[4] 谢鲲,安子良,苏琦.电液比例阀的设计及动态特性研究[J].煤矿机械，2016(2)：33-34.

[5] 卢文辉,李胜,吕敏健.电液比例阀的结构原理与研究现状[J].机床与液压，2014(4)：166-170.

[6] 胡学军,滕达,谈宏华.基于matlab的电液比例阀测试系统的研究[J]．机床与液压，2010(11)：42-44.

[7] 梁全，谢基晨，聂利卫.液压系统AMESim计算机仿真进阶教程[M].北京:机械工业出版社，2016.

责任编辑：高 山

Simulation Research of the Electromagnetic Proportional Directional Valve Test System Based on AMESim

LIAO Yide, WANG Shuai

(School of Mechanical & Electrical Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430205,China)

Based on the theory of AMESim simulation design,we research and develop the electromagnetic proportional directional valve performance test-bed and the automatic analysis and test system based on virtual instrument and Visual C++ software,and simulate part of the static performance.The simulation test results show that the AMESim simulation provided a reasonable and reliable design scheme for the electromagnetic proportional directional valve performance test-bed,and solved the carrying mismatches in the process of installation and debugging, which is of great significance for guiding the construction of the test-bed.

electromagnetic proportional directional valve;test system; functional test;AMESim;simulation

2017-02-22.

863计划课题项目(2012AA111716)；武汉工程大学第六届研究生教育创新基金项目.

廖义德(1963-)，男，博士，教授，主要从事流体传动与控制的研究.

1008-8423(2017)02-0209-03

10.13501/j.cnki.42-1569/n.2017.06.022

TH137.51

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