兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥銜鐵組件的建模與仿真

王新晴，王文夫

(中國人民解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007)

0 前言

電液伺服系統在民用和軍用各個領域有著廣泛的應用，如航天、冶金、化工等領域。電液伺服閥作為電液伺服系統的核心元件，具有線性度好、響應速度快、壓力靈敏度高、壓力和溫度零漂小、控制精度高等優點;它實現了電、液信號的轉換與放大，其性能關系到整個伺服系統的控制精度、響應速度和穩定性。電液伺服閥結構異常復雜和精密，對電液伺服閥進行計算機仿真是研究其性能非常有效的途徑，有大量文獻采用AMESim 軟件對液壓系統進行建模仿真，并證明了其模型的有效性。

銜鐵組件作為兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥中的關鍵部分，受到來自控制電流產生的電磁力，來自支撐彈簧管的力矩，噴嘴噴射在擋板上的液壓力，以及反饋桿的力，其力學分析復雜，并且銜鐵組件不在AMESim 軟件的HCD 庫中，需要自定義建立子模型。

本文作者對二級噴嘴擋板電液伺服閥的銜鐵組件進行詳細的物理模型分析和數學建模，對不在AMESim軟件液壓元件設計庫(HCD)中的銜鐵組件，利用AMESet 軟件建立銜鐵組件自定義子模型，最終建立兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥的AMESim 模型，并進行性能仿真測試，得到的流量、壓力特性曲線證明了該模型的有效性。為下一步研究二級噴嘴擋板電液伺服閥的參數、性能優化及故障仿真奠定基礎。

1 兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥結構與工作原理

兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥主要由力矩馬達、雙噴嘴擋板先導級閥和四凸肩的功率級滑閥3 個部分組成，第一級為雙噴嘴擋板閥，稱為前置放大級，由力矩馬達控制;第二級為四邊滑閥，稱為功率放大級，閥芯通過反饋桿與銜鐵擋板組件相連，構成滑閥位移力反饋回路。其具體結構圖1所示。薄壁的彈簧管5支撐銜鐵3 和擋板組件7，并作為噴嘴擋板液壓閥的液壓密封。彈簧管從銜鐵擋板組件中伸出，其下端球頭插入主閥芯9 中間的小槽內，構成閥芯對力矩馬達的力反饋。左右兩個固定節流孔10 與兩個噴嘴6 及擋板7 間的可變節流孔組成液阻橋路。

圖1 兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥結構圖

當電流信號輸入控制線圈時，銜鐵上產生磁通，與永磁鐵的固定磁通相互作用產生電磁力矩，使銜鐵擋板組件繞彈簧管轉動中心偏轉，擋板偏離中位，引起滑閥兩側控制油腔壓力失衡，推動閥芯向相應的方向運動。閥芯運動將帶動反饋桿運動，產生的反饋力矩反饋到力矩馬達上，直到反饋桿反饋力矩、噴嘴擋板的液壓力矩和輸入電流信號產生電磁力矩相平衡時，閥芯將停止運動，其位移與控制電流成比例。輸入控制線圈的電流越大，銜鐵偏轉的轉矩、擋板偏離中位的位移以及閥芯的偏移量越大，電液伺服閥輸出的流量也越大。

2 銜鐵組件數學模型的建立

銜鐵組件包括銜鐵、擋板和反饋桿，其示意圖如圖2所示，對建立數學模型的必要參數及其說明見表1。

圖2 銜鐵組件示意圖

表1 銜鐵組件各部分參數說明

下面對銜鐵組件各個部分分別進行受力分析，在此假設:銜鐵為剛體，并考慮微小的位移，如銜鐵重心在水平方向的位移xg，彈簧管頂端在水平方向的位移xt等。

(1)銜鐵

銜鐵有兩個自由度:銜鐵旋轉角度θ，銜鐵重心在水平方向上的位移xg。由于考慮微小位移，銜鐵在受到電磁力矩時的細微變化都要計算。銜鐵在受到電磁力矩時發生偏轉，由于支撐銜鐵的彈簧管下端固定，受力發生變形時，其頂端會有水平方向上的微小位移，這樣銜鐵不僅在繞著重心有一定轉角，而且在水平方向也有微小的位移，設銜鐵重心水平位移xg，支撐銜鐵的彈簧管頂端水平上移動xt，它們之間的關系可由結構示意圖得到:

銜鐵上作用的電磁力矩可以用銜鐵兩端的上、下側的4 個作用力來表示:

(2)彈簧管

彈簧管的力與力矩可由文獻中的公式得到:

為簡化書寫，令K11=12/L3，K12=K21=-6/L2，K22=4/L，則公式可改寫為:

(3)擋板

擋板所受力由兩噴嘴噴出的液壓力做差得到:

(4)反饋桿

反饋桿的實際位移必須要考慮到銜鐵重心的位移xg，并且注意到，反饋桿的實際位移的方向和銜鐵重心的位移方向相反，設xw為閥芯相對于平衡位置的位移，且水平向右方向為正，按圖1所示方向旋轉，反饋桿的實際位移為xg-d3θ-xw

則反饋桿的反饋力為:

(5)銜鐵組件的狀態方程

有了上面各部分的公式，可以得到銜鐵組件的方程如下:

則整個銜鐵組件狀態方程用向量形式表達如下:

3 銜鐵組件AMESet 的建模

AMESim 全稱Advanced Modeling Environment for performing Simulations of engineering systems，工程系統高級建模和仿真平臺，是當今領先的傳動系統和液壓機械系統建模、仿真及動力學分析軟件。AMESet 是AMESim 軟件包的一部分，它提供了完善的用戶接口，利用AMESet 可以創建自己的子模型擴大AMESim 的能力，更適應自己的應用。文中的銜鐵組件不在AMESim 的標準庫中，因此需要利用AMESet 自定義創建。

根據AMESet 的建模方法將銜鐵組件的物理模型進行簡化，如圖3所示，由上述的數學模型分析得知，銜鐵組件需要有7 個端口(Ports)和7 個內部變量(internal variable)。7 個端口和7 個內部變量的具體設置和說明見表2、3。

圖3 銜鐵AMESet 示意圖

表2 端口變量和設置

續表2

表3 7 個內部變量

設置好上述13 個實參數(表1，不包括θ)，7個端口的變量(表2)，以及7 個內部變量(表3)后，根據兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥的數學模型進行模型代碼的編寫。點擊“生成子模型代碼”按鈕，AMESet 會自動生成子模型代碼框架，在代碼編輯模式下，只需要在指定位置書寫代碼即可。根據上面的推導出的公式，對模型進行代碼編寫如下:

編寫好代碼之后，還需要用圖標設計器設計一個圖標，并注明端口;點擊“編譯”按鈕，就可以生成一個自定義子模型了，如圖4、5所示。

最后，添加新的類別(Add Category)，將銜鐵的子模型放入其中，這樣，在使用AMESim 建模時就可以像使用標準庫的部件一樣使用該銜鐵組件子模型了。

圖4 圖標設計器作圖

圖5 銜鐵模型外部變量

4 兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥AMESim 建模與仿真

使用AMESim 中的電磁庫和液壓庫，以及自定義的銜鐵組件，可以建立一個完整的雙噴嘴擋板電液伺服閥的模型，如圖6所示，該模型設置為空載，運行該兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥AMESim 模型，通過流量和壓力特性曲線，驗證銜鐵模型的有效性以及整個伺服閥的性能。

圖6 兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥空載流量模型

實參數的設置在AMESim 的仿真運行中非常關鍵，參考國內、外伺服閥的參數和規格以及部分文獻，經過多次仿真運行試驗，得到如下伺服閥關鍵參數，具體如表4、5所示。

表4 銜鐵組件參數

表5 其他參數

輸入電信號為0.2 Hz 的正弦波，大小10 mA，時間5 s;仿真時間5 s，打印時間0.001 s。

測試伺服閥閥的靜態特性。首先，畫出閥出口壓力和閥芯位移的函數關系曲線，即壓力特性曲線，如圖7所示，可以看到伺服閥的在很小的閥芯位移壓力即可達到最大值，即壓力增益很大，說明伺服閥對負載流量的控制很靈敏。

然后，畫出伺服閥的流量特性曲線，即輸入電流和流量函數關系曲線，如圖8所示。理論上空載流量特性曲線是呈環狀的函數曲線，是輸入電流在正負額定電流之間的一個完整循環。由圖可以看到，空載流量特性曲線呈環狀，并且具有非常好的線性度和很小滯環，這證明了模型的有效性。

圖7 壓力特性曲線

圖8 流量特性曲線

5 結束語

對兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥中的銜鐵組件進行了詳細的物理模型分析和數學建模，并在此基礎上，詳細說明了利用AMESet 軟件自定義建立銜鐵組件子模型的過程和參數設置;建立兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥整體的模型后，仿真運行獲得的曲線證明了銜鐵組件子模型和兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥整體模型的有效性。銜鐵組件是故障比較集中的組件，詳細了解該組件的物理和仿真模型，為下一步進行兩級雙噴嘴擋板電液伺服閥的故障診斷和仿真奠定了堅實基礎。

［1］付永領，祁曉野.AMESim 系統建模和仿真:從入門到精通［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［2］施康，曾良才，朱學彪.基于AMESim 的電液伺服系統故障仿真研究［J］.流體傳動與控制，2009(3):3.

［3］田源道.電液伺服閥技術［M］.北京:航空工業出版社，2008.

［4］徐鑫.電液伺服閥理論與試驗研究［D］.鎮江:江蘇科技大學，2008.

［5］靳蓮.電液伺服閥優化設計［D］.西安:西北工業大學，2007.

［6］江玲玲.基于AMESim 的液壓系統動態特性仿真與優化研究［D］.綿陽:西南科技大學，2007.

［7］梁利華.液壓傳動與電液伺服系統［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2005.

［8］張憲宇，陳小虎，何慶飛，等.基于AMESim 液壓元件設計庫的液壓系統建模與仿真研究［J］.機床與液壓，2012，40(13):172-174.