一種電磁吸附式智能液壓系統過濾裝置的設計

鄭凱

摘 要：以提高液壓油的清潔程度為目標，設計了一種智能電磁吸附式液壓油凈化裝置。首先，以電磁平板、電磁換向閥、壓力繼電器、傳感器為硬件核心，完成了智能凈化裝置的結構設計。其次，利用傳感器對凈化裝置兩端壓力進行自動實時檢測，并將得到的壓力值與設定的壓力閥值進行比較，控制壓力繼電器、電磁換向閥的工作狀態，實現對智能凈化裝置的進一步控制。最后，利用FLuidSIM搭建了智能凈化裝置的工作原理模型，并以此為基礎利用AMESim搭建了智能凈化裝置的仿真模型，通過對仿真模型運行結果的分析，證實所設計的智能凈化裝置可靠有效。

關鍵詞：液壓油;凈化裝置;磁吸附;仿真

Abstract：In order to improve the cleaning degree of hydraulic oil， an intelligent electromagnetic adsorption hydraulic oil cleaning device was studied and designed. Firstly， the structure design of the intelligent purification device is completed with the electromagnetic plate， electromagnetic directional valve， pressure relay and sensor as the hardware core. Secondly， sensors are used to detect the pressure at both ends of the purification device automatically in real time， and the obtained pressure deviation value is compared with the set pressure threshold value to control the working state of pressure relay and electromagnetic directional valve， so as to further control the intelligent purification device. Finally， FLuidSIM was used to build the working principle model of the intelligent purification device， and on this basis， AMESim was used to build the simulation model of the intelligent purification device. By analyzing the operation results of the simulation model， the reliability and effectiveness of the designed intelligent purification device were verified.

Key words：hydraulic oil; purification plant; magnetic adsorption; simulation

液壓系統在機械設備與機械加工中應用廣泛。而在特定環境中，液壓系統在運行過程中極易受外部雜質[1]（鐵屑）的侵入，而造成液壓系統相關元器件的損傷甚至損壞，進而影響液壓系統運行的穩定性與可靠性[2-3]。因此，如何在保證液壓系統正常運行的同時，還能夠有效維持傳動介質（液壓油）的清潔程度，就成為工程技術人員值得研究的重要問題。文中設計了一種電磁吸附式的液壓油凈化裝置（以下簡稱：智能凈化裝置）。

首先，利用電磁平板對外部雜質（鐵屑）進行吸附，降低外部雜質（鐵屑）對液壓系統的影響。其次，針對吸附后雜質（鐵屑）的排出問題，利用壓力繼電器、傳感器、電磁換向閥，設計了相應的雜質（鐵屑）排出系統，保證液壓運行過程中液壓油的清潔程度，提高液壓系統的使用壽與效率。

1 總體結構設計與工作原理

1.1 總體結構

利用FLuidSIM[4]搭建了智能凈化裝置的總體結構與控制系統，如圖1所示。

1.2 工作原理

1.2.1 正常工作狀態

當液壓系統處于正常工作狀態時，液壓源（3）中的液壓油流入凈化裝置（4）;凈化裝置（4）對液壓油中的雜質（鐵屑）進行吸附，同時電磁換向閥（6）使液壓馬達（7）工作，并以一定速度進行旋轉。液壓系統的正常工作狀態原理，如圖2所示。

1.2.2 雜質排出狀態

當凈化裝置（4）吸附的雜質（鐵屑）達到一定量時，凈化裝置（4）的吸附能力進一步降低，凈化裝置輸入端口壓力進一步升高，當大于壓力繼電器（2）的預設值時，壓力繼電器使電磁換向閥（5）、（6）換向，系統由正常工作狀態切換至雜質（鐵屑）排出狀態;同時使電磁吸附平板（圖4）失電，雜質（鐵屑）在系統壓力下自動排出。液壓系統的雜質排出原理圖，如圖3所示。

通過對圖2、圖3的分析，證實了智能凈化裝置設計的可行性，為后續關鍵部件的設計及系統仿真提供了依據。

2 關鍵部件的設計與分析

2.1 電磁吸附平板的設計

2.1.1 電磁吸附平板的結構

為了便于加工和布局，同時為了保證智能凈化裝置與液壓油保持最大的接觸面積，智能凈化裝置采用了平板式結構（4層），文中電磁吸附平板間的間隙取60 mm。如圖4所示。

2.1.2 電磁吸附平板材料的選擇

選取了磁導率較高、磁滯回線較窄、矯頑磁力較小的鐵鎳合金[5]，作為電磁吸附平板的材料，其鐵鎳合金參數如表2所示。

2.1.3 有效吸附面積的計算

由3.1可知，當液壓油流經電磁平板時，電磁平板依靠電磁吸力吸附油液中的雜質（鐵屑）。因此為了提高吸附的有效性，電磁吸力應不低于液壓系統的恒定壓力。由表1可知，液壓系統工作壓力為5 MPa，并參照表2中的參數，代入公式（1）[6]：由上式可知，當電磁平板的有效吸附面積S≥62000 mm2時，就能夠滿足本設計的需求。依據上式的計算結果，文中電磁吸附平板的長度、寬度取值，如表3所示。

2.1.4 平板的勵磁電流

由鐵鎳合金磁化曲線（B-H曲線）[8-9]可知，當磁感應強度B=1.2 T時，磁場強度達到飽和點H=310.21 A/m，此時激勵電流I≈1.6 A。

因此，為了保證電磁吸附平板工作的穩定性與持續性，平板內電磁線圈的勵磁電流應不超過1.6 A。

2.2 壓力繼電器的預設值分析

當液壓油流經電磁吸附平板時，在電磁吸力的作用下雜質（鐵屑）將不斷吸附于電磁平板表面，而造成電磁吸附平板（間隙）的堵塞。文中將電磁吸附平板等效為：無相對運動的平行平板，依據平行間隙的流量公式[10]：

由表4的仿真運算結果可知，當電磁吸附平板間的間隙，大于10 mm時，系統無壓力損失;當其間隙在1～0.5 mm之間時，系統壓力損失逐漸增大，在0.5 mm時壓力損失達到30%;當其間隙小0.1 mm時，系統壓力損失達到98%。

通過分析，設文中凈化裝置的壓力損失上限為30%，則壓力繼電器預設值為5.35 MPa。

3 控制系統的設計

智能凈化裝置控制系統的主要功能是：將凈化裝置輸入端口壓力與壓力繼電器預設值進行比較，并驅動電磁吸附裝置與電磁閥工作，使智能凈化裝置處于相應的工作狀態。

文中以選用Micro-chip公司的具有較高響應速度的DSPIC30F2010數字信號處理器[11-12]為控制核心進行控制，控制流程如圖6所示。

如圖6所示。首先，為壓力繼電器設置閥值，當凈化裝置輸入口壓力大于壓力繼電器所設閥值時，系統通過換向閥，使系統由正常工作狀態切換至雜質（鐵屑）排出狀態。而當輸入口壓力小于所設閥值時，系統又切換回正常工作狀態。

4 系統的仿真與分析

運用AMEsim軟件[13]，通過繪制系統草圖、建立子模型、參數設置、運行仿真4個環節，建立了智能凈化裝置的仿真模型，模擬了智能凈化裝置在不同工作狀態下的過程。并進行了仿真實驗，得到了相應的特性曲線。

4.1 系統模型的建立

繪制系統草圖。分別從“Signal，Control”電子器件庫;“Hydraulic”液壓庫;選取相應的“元件”進行系統草圖的繪制;建立子模型[14]。選擇“首選子模型”賦予“元件”具體的物理特性。本系統所用“元件”均來自于AMEsim軟件的標準庫;設置參數。為各個“子模型”設置參數，就是為子模型中的系數賦予具體的“值”[15-16];運行仿真。查看相應元件仿真結果，得到動態曲線。智能凈化裝置的仿真模型如圖7所示。

4.2 設定子模型參數

智能凈化系統的模型參數，如表5所示。

4.3 工作過程

首先，為比較器（1）設定壓力預設值（2），同時系統在恒壓源（5）的提供的恒定壓力下開始工作，液壓油經過壓力傳感器（3）流經凈化裝置（6）進行凈化。持續一段時間后，若系統壓力值大于預設值（2）時，向控制閥（7）、（8）以及電磁平板（6），同時發出控制信號（電流），這時電磁平板（6）與控制閥（8）關閉，控制閥（7）工作，雜質（鐵屑）在系統壓力下自動排出，流入油箱（10）。

4.4 系統仿真結果的分析

4.4.1 正常工作狀態的仿真與分析

依據圖7中的仿真模型，按照表5中的參數進行設置并進行仿真，由于在AMEsim仿真環境中平板并無磁力，因此在進行仿真時，文中依據表4對平板間隙進行了手動設置，當取值60 mm時（模擬吸附雜質較少，電磁吸附平板間隙無明顯堵塞，壓力損失無明顯增加的狀態），得到了相應的特性曲線。如圖8所示。

由圖8可知，系統處于正常工作狀態，輸出壓力≈4.5 MPa，而雜質排出狀態不工作，其輸出壓力為0 MPa。

4.4.2 雜質排出工作狀態的仿真與分析

依據圖7中的仿真模型，按照表5中的參數進行設置并進行仿真，由于在AMEsim仿真環境中平板并無磁力，因此在進行仿真時，文中依據表4對平板間隙進行了手動設置，當取值為0.5 mm時（模擬吸附雜質較多，電磁吸附平板間隙產生明顯堵塞，壓力損失接近上限30%的狀態），得到了相應的特性曲線。如圖9所示。

由圖9可知，系統處于雜質排出狀態，輸出壓力≈4.5 MPa，而正常狀態不工作，其輸出壓力為0 MPa。

通過圖8、圖9的分析，證實智能凈化裝置能夠在兩種工作狀態下進行自動切換，同時證實雖然經過對液壓油的凈化，使系統產生了一定的壓力損失，但并未超過系統壓力損失的上限30%，因此文中提出的智能凈化裝置的設計思路可行。

5 結 論

完成了智能凈化裝置的結構與控制系統設計。其次，利用FLuidSIM搭建了智能凈化裝置的工作原理模型，證實了設計思路的可行性。同時，利用AMESim搭建了智能凈化裝置的仿真模型，通過傳感器對系統壓力進行了實時檢測，并將得到的壓力值與設定的壓力閥值進行比較，控制壓力繼電器改變電磁換向閥的工作狀態，使其能夠在正常工作狀態與雜質（鐵屑）排出狀態間進行自動切換，實現了對智能凈化裝置的有效控制。最后，通過AMESim仿真分析，繪制了兩種工作狀態下的輸出壓力特性曲線，證明所設計的智能凈化系統能夠根據系統壓力的變化，在以上兩種工作狀態下進行有效轉換，達到了本次設計的目標，具有一定的應用價值。

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