基于AMESim的比例流量閥動態特性分析

李際勇

摘 要：液壓元件要求其具有良好的動態特性，利用AMESim對帶壓力補償比例插裝流量閥動態特性進行建模分析與仿真。簡單介紹了AMESim軟件并闡述了帶壓力補償的比例插裝流量閥的工作原理，根據比例插裝流量閥的結構及參數利用AMESim軟件進行建模分析與仿真。

關鍵詞：比例插裝流量閥；AMESim；建模分析與仿真

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A

1 前言

對于液壓元件除了要滿足其必須完成的預定動作和靜態特性外，也要求其具有良好的動態特性。在某型45噸磁性粉末液壓機的設計中，由于其液壓缸的快速運動階段需要很大的流量，且油液在經過流量閥后壓力有一定的損失，所以在設計時決定采用帶有壓力補償的比例插裝流量閥。為進一步了解加裝壓力補償后比例插裝流量閥的動態特性，需要對其進行建模與仿真。

液壓元件（系統）建模的方法主要有解析法、狀態空間法、功率鍵合圖法、“灰箱”建模法以及利用計算機軟件建模法等。其中，軟件建模法主要利用現有的仿真軟件對液壓系統建模仿真，經過幾十年的研究與發展，液壓仿真軟件伴隨著計算技術的發展其性能逐漸成熟穩定，成為現在研究液壓元件（系統）動態性能并建立模型進行仿真的重要手段。本次建模仿真就利用近些年比較流行的AMESim軟件進行建模分析。

2 AMESim軟件簡介

AMESim是一款多學科領域的建模仿真軟件，它提供了一個系統工程設計的平臺，它以元件本身設計的性能為出發點，充分考慮摩擦、液體、氣體及環境的溫度等難以建模的部分，對元件組成部分和系統進行功能性仿真和優化，并且能夠與其他仿真軟件進行聯合仿真和優化。

AMESim軟件由AMESim、AMESet、AMECustom、AMERun四部分功能模塊組成。其中，AMESim模塊主要是系統建模、仿真和分析，它的工作模式為：根據系統的原理結構圖建立模型——選擇需要的元件模型——根據設計需要設定元件的參數——運行仿真軟件——分析得到的結果。

AMESim的特點是：①它集成了機械、電氣、液壓、液阻、氣動、管路、液壓元件的設計、熱流體工程、動力傳動等多學科的模型庫，模型圖標簡單直觀，能滿足各種場合的建模；②使用者在建模時仿真模型的建立、擴充只需通過選擇圖型就可建立，不需要進行大量的編程，保證使用者專注于元件本身的而不是把時間用在大量的數學建模中；③它能夠同時運用不同的參數進行一系列的仿真，同時提供多種分析工具供使用者分析優化系統及設計；④通過與MATLAB、Matrix、Adams、dSPACE等軟件的聯合仿真，使得仿真工作涉及的范圍更加廣范，更加方便。

正如其他軟件一樣，AMEsim也有自身的不足之處，主要體現在：①元件模型仿真是需要設置很多參數，但是有些參數是不確定的；②仿真元件的圖形有限，有些專用的特殊元件需要自行設計，這需要使用者具有大量的經驗和技巧；③仿真的過程還是不能很好地反映出實際的狀況，比如實際的泄漏、摩擦等。

3 帶壓力補償的比例插裝流量閥的工作原理

液壓油在經過比例插裝流量閥時，受流量口的進出口的影響產生壓力損失，形成的壓差對液壓油的流量產生影響，為了將產生的影響降到最低，于是在流量閥前或后串聯一個壓力補償裝置。在壓力補償裝置的作用下液壓油通過流量口的壓差保持恒定，從而使液壓油的不受流量口前后壓力變化的影響。其工作原理簡圖及液壓符號如圖1所示。

為了方便直觀的說明其工作原理，在圖1（a）中將比例插裝流量閥進行簡化表示，在圖中比例插裝流量閥的出口A與溢流閥的上腔口a相通，比例插裝流量閥的進口B與溢流閥的下腔b相連。當液壓缸C的負載加大時，比例插裝流量閥出口的壓力增大，使得作用在溢流閥a腔中閥芯上的力加大導致閥芯1下降，進而溢流口的開口減小，此時比例插裝流量閥進口的壓力加大，從而保持壓差的基本恒定。反之，液壓缸負載減小時，比例插裝流量閥出口的壓力減小，溢流閥閥芯1上移，溢流口開口相對增大，進而使比例插裝流量閥進口的壓力減小，同樣保持壓差的基本恒定。

4 比例插裝流量閥的結構及參數

在某型45t稀土永磁材料粉末液壓機中，選用Atos公司生產的LIQZO-TE系列帶壓力補償的比例插裝流量閥，其結構圖如圖2所示。此型號的電磁閥與集成放大器協同工作，集成放大器為流量閥提供適當的驅動電流，以校準流量閥的調整量，使之與供給放大器的輸入信號相匹配。TE型為模擬式，流量調節通過帶位置傳感器3及雙先導控制腔的閥芯1與閥套2配合實現的；閥芯的位移通過比例方向閥即先導閥4進行閉環控制，控制原理圖如圖3所示。

為了仿真需要，將LIQZO-TE系列比例插裝流量閥及其集成放大器的特性參數分別列在表1和表2中。

5 帶壓力補償的比例插裝流量閥的建模分析與仿真

根據圖1、圖2及圖3，將帶壓力補償的比例插裝流量閥的仿真模型利用AMESim軟件搭建如圖4所示。

為了便于帶壓力補償的比例插裝流量閥進行仿真，將其置于一個簡單的液壓系統中，該系統只提供壓力和流量，沒有任何負載。根據Atos公司的樣本，溢流閥2選擇的型號為AGAM-10，最大流量為200L/min，壓力調節范圍為7～210bar；溢流閥3選擇的型號為JPC-2，最大流量為200L/min，最大進口壓力為350bar；插裝流量閥1的通徑為16mm，各項性能參數在1-1中列出；先導閥4的型號為DHZO-TE*70，階躍信號從0～100%變化的響應時間為15ms。

在圖4的液壓系統中先導比例方向閥4由獨立的穩定液壓源提供壓力，壓力大小Atos推薦為140～160bar，取P=150bar；插裝閥主通道由獨立穩定的流量源提供流量，流量大小240L/min。當給定階躍信號的值為10V時，插裝閥主閥芯左移完全打開，通過PID調節（P=200，I=10）后得到閥的集成放大器動態響應曲線如圖5所示，插裝閥主通道的流量動態特性曲線如圖6中曲線所示。

6 仿真結果分析

從圖5可以看出加裝壓力補償器后的比例插裝流量閥的集成放大器的階躍信號響應時間約在25ms左右，與加裝前比例插裝流量閥的集成放大器階躍信號響應時間22ms相差不大，滿足控制系統要求；從圖6可以看出比例插裝流量閥主通道流量在小于其階躍信號響應時間達到要求，且流量約為242L/min左右，與主通道設定流量240L/min幾乎相同，完全滿足液壓機液壓系統設計需要。

結論

通過本次對帶壓力補償的比例插裝流量閥建模與仿真，可分析其動態特性是否滿足系統要求，為以后類似閥的建模與仿真打下了基礎。此次建模與仿真過程表明利用AMESim軟件系統對液壓元件可進行準確、便捷的分析，為用戶在設計制造時提供了可靠的理論依據。

參考文獻

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