基于AMESim的先导阀芯驱动大流量可控阀动态特性仿真研究

2022-09-17刘红亮胡东方

机床与液压 2022年7期

刘红亮，胡东方

(1.新乡职业技术学院汽车工程系，河南新乡 453000；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳 471000)

0 前言

电液比例系统通常由多级放大结构组成，利用电磁铁等驱动装置实现对先导阀的驱动，通过先导阀形成液压能来控制主阀阀芯，为主阀芯配备了压力和位移传感器，并跟驱动信号调控系统一起实现闭环调节的功能。由于阀体积很小，充分满足快速响应的应用需求，整体运行性能稳定，被广泛应用在液压机、工程动力设备等大流量液压系统。

目前已有较多学者对电液比例开展了相关研究。WOODACRE等主要针对动阀套反馈进行了比例方向阀方面的研究工作，同时为先导阀与主阀构建了数学建模以获得传递函数，提出了不同的补偿方式，同时利用Simulink软件分别对动静态条件进行了模拟仿真，通过实验发现，采用分段PID控制算法获得了最优的死区补偿效果。张勇等人使用能够实现独立换向的先导阀来减少阀芯质量，发挥良好的结构死区补偿效果。FALLAHI等重点分析了电液位置伺服系统的控制过程，同时为该系统构建了相应的数学模型，与静态误差方法相比，获得了更快的系统响应速度，同时控制精度也显著提升。李胜等人根据水压数字控制阀控制原理，开发了一种压电致动器，使它满足整阀的应用要求，最后制备得到样机，通过测试得到压力、流量参数变化结果与理论结果吻合。

本文作者主要对大流量可控阀开展研究，以电机提供驱动力实现丝杠的运动调节，控制先导阀芯为主阀控制腔提供阀芯启动压力，从而控制主阀芯的运动；为主阀配备节流窗口以获得连通的流量，由此精确调节流量比参数。

1 控制系统原理

本文作者利用电机丝杠构建可以大流量调节的电机械转换系统，达到较高控制精度，显著减小液压冲击载荷。图1所示为大流量可控阀结构。进入比例工作状态时，电机为丝杠螺母转动提供动力，同时驱动先导阀驱动件开启先导阀的进液阀芯，此时高压液通过进液流道到达主阀控制腔中，关闭主阀芯回液口；然后，推动主阀进液阀芯右移，开启主阀进液阀芯的节流窗口后进行流量输出，直至阀芯关闭。在关闭状态下，电机带动丝杠螺母与先导阀驱动件左移，此时先导阀回液阀芯和顶杆也同样发生左移，回液口跟主阀控制腔液体相连，主阀进液阀芯与先导回液阀芯保持异步跟随状态并左移至先导回液阀口重新关闭为止，从而实现对关闭过程的三芯随动控制。

图1 大流量可控阀结构

2 仿真分析

2.1 整阀模型

文中构建的可控阀模型由先导回液阀、进液阀、主回液阀以及主进液阀构成。由于先导进液阀与回液阀之间保持相同的位移量，可在先导进液阀与主进液阀间完成位置反馈的过程，因此选择MECDSOB位移传感器子模型来模拟级间位置的反馈过程。因为先导进液阀套包含了主阀芯，先导进液阀芯会跟阀套发生相对位移，可以通过BRP21球阀子模型对相对位移开展仿真测试。主阀是一种三角形态的非全周开口结构，因此设计BA00022非全周开口模型，并设定各项模拟参数。构建可控阀AMESim模型，同时以半实物图形的模式对可控阀进行模拟。图2所示为构建的大流量可控阀AMESim模型。

图2 大流量可控阀AMESim仿真模型

大流量可控阀由主阀和先导阀共同构成，先导进液阀座与主阀芯形成相互嵌套的状态，实现先导阀和主阀的位置信息反馈。当先导阀达到更高的控制精度时，主阀控制精度得到显著提升，但同时也需注意，如果增益过大则会造成系统运行过程出现波动，此时应对级间位置匹配开展更深入探讨。

2.2 设置结构参数

为建立更加完善的可控阀模型，给出如表1所示的阀体参数。在此次仿真实验中，利用方波信号调节电机的运行参数，分别以1与0表示高电平与低电平信号，设定频率为2 Hz，仿真时间为2 s，步长为0.001 s，结果如图3所示。

表1 可控阀仿真模型相关参数

图3 输入方波控制信号

3 动态特性仿真分析

3.1 阶跃响应特性

阶跃响应属于时域测试方法，考虑到阶跃信号会出现阶跃断点，可将它作为一种严峻工作信号。根据可控阀能否适应阶跃信号变化特征及其各项性能参数指标来判断可控阀的性能。将阶跃控制信号输入仿真模型中再开展仿真测试，以准确调节可控阀各部位阶跃响应曲线。图4所示为阀芯位移和流量阶跃响应曲线。

图4 阀芯位移和流量阶跃响应

由图4可知：主阀芯按照一阶系统响应趋势运动6 mm，阀芯被开启，且输出流量为300 L/min，液体流入主阀控制腔中，由于此时主回液阀芯已被开启，该部分油液到达主回液阀芯并使其关闭；开始时刻，主回液阀芯已关闭，油液继续进入主阀控制腔中会引起腔内压力上升，在控制液的压力作用下主阀芯发生动作；在=0.05 s时主阀芯保持在5.8 mm的开启位移处，主阀出口流量为285 L/min，满足预期设计要求；主阀芯发生了一定程度的振荡，形成了约0.1 mm的稳态误差。

3.2 启闭特性

将频率为10 Hz的方波信号加入控制信号进行仿真，仿真时间为1 s，得到如图5所示的先导阀和主阀的位移、流量曲线。可知：对电机施加启停信号后，每当丝杠进给一个信号，先导阀芯就会随之产生位移，由此得到了具有阶梯特征的分布结果，部分流量被分配至主回液阀，最终引起阀门关闭，导致主阀芯相对先导阀芯呈现明显的滞后性，第1个方波信号形成了负增长的主阀芯速度变化特征；接着，先导阀芯开启，主阀芯发生跟随运动，在=0.05 s后，主阀芯速度响应比先导进液阀芯慢，存在显著的滞后性，直至主阀芯全部开启。

图5 启停信号下阀芯位移与流量响应

3.3 级间位置匹配分析

可控阀的启闭控制受到多种参数匹配状态的综合影响。利用AEMSim设定控制信号，仿真分析大流量可控阀的比例开启与关闭状态。

图6所示为比例阶跃信号阀芯的位移启闭曲线。输入给定信号后，先导进液阀芯快速响应，按照阶梯位移的方式跟随给定信号动作，之后主阀芯也发生跟随运动，从而在2 mm位移内完成响应，跟随先导进液阀芯一起动作。在4～6 mm内，主阀芯无法满足响应条件。当阀开启程度较小时，只需很少的流量，即可完成快速响应，符合固定液阻饱和增益条件时，在小流量下主阀芯无法准确跟随动作，形成了0.5 mm误差。在比例关闭的过程中，先导进液阀芯和主阀芯都关闭，但依然会形成静差。无论是开启或关闭，先导进液阀都会异步跟随，但会形成明显的静差，需进行适当调节。