李际勇

摘 要：液压元件要求其具有良好的动态特性，利用AMESim对带压力补偿比例插装流量阀动态特性进行建模分析与仿真。简单介绍了AMESim软件并阐述了带压力补偿的比例插装流量阀的工作原理，根据比例插装流量阀的结构及参数利用AMESim软件进行建模分析与仿真。

关键词：比例插装流量阀；AMESim；建模分析与仿真

中图分类号：TH137 文献标识码：A

1 前言

对于液压元件除了要满足其必须完成的预定动作和静态特性外，也要求其具有良好的动态特性。在某型45吨磁性粉末液压机的设计中，由于其液压缸的快速运动阶段需要很大的流量，且油液在经过流量阀后压力有一定的損失，所以在设计时决定采用带有压力补偿的比例插装流量阀。为进一步了解加装压力补偿后比例插装流量阀的动态特性，需要对其进行建模与仿真。

液压元件（系统）建模的方法主要有解析法、状态空间法、功率键合图法、“灰箱”建模法以及利用计算机软件建模法等。其中，软件建模法主要利用现有的仿真软件对液压系统建模仿真，经过几十年的研究与发展，液压仿真软件伴随着计算技术的发展其性能逐渐成熟稳定，成为现在研究液压元件（系统）动态性能并建立模型进行仿真的重要手段。本次建模仿真就利用近些年比较流行的AMESim软件进行建模分析。

2 AMESim软件简介

AMESim是一款多学科领域的建模仿真软件，它提供了一个系统工程设计的平台，它以元件本身设计的性能为出发点，充分考虑摩擦、液体、气体及环境的温度等难以建模的部分，对元件组成部分和系统进行功能性仿真和优化，并且能够与其他仿真软件进行联合仿真和优化。

AMESim软件由AMESim、AMESet、AMECustom、AMERun四部分功能模块组成。其中，AMESim模块主要是系统建模、仿真和分析，它的工作模式为：根据系统的原理结构图建立模型——选择需要的元件模型——根据设计需要设定元件的参数——运行仿真软件——分析得到的结果。

AMESim的特点是：①它集成了机械、电气、液压、液阻、气动、管路、液压元件的设计、热流体工程、动力传动等多学科的模型库，模型图标简单直观，能满足各种场合的建模；②使用者在建模时仿真模型的建立、扩充只需通过选择图型就可建立，不需要进行大量的编程，保证使用者专注于元件本身的而不是把时间用在大量的数学建模中；③它能够同时运用不同的参数进行一系列的仿真，同时提供多种分析工具供使用者分析优化系统及设计；④通过与MATLAB、Matrix、Adams、dSPACE等软件的联合仿真，使得仿真工作涉及的范围更加广范，更加方便。

正如其他软件一样，AMEsim也有自身的不足之处，主要体现在：①元件模型仿真是需要设置很多参数，但是有些参数是不确定的；②仿真元件的图形有限，有些专用的特殊元件需要自行设计，这需要使用者具有大量的经验和技巧；③仿真的过程还是不能很好地反映出实际的状况，比如实际的泄漏、摩擦等。

3 带压力补偿的比例插装流量阀的工作原理

液压油在经过比例插装流量阀时，受流量口的进出口的影响产生压力损失，形成的压差对液压油的流量产生影响，为了将产生的影响降到最低，于是在流量阀前或后串联一个压力补偿装置。在压力补偿装置的作用下液压油通过流量口的压差保持恒定，从而使液压油的不受流量口前后压力变化的影响。其工作原理简图及液压符号如图1所示。

为了方便直观的说明其工作原理，在图1（a）中将比例插装流量阀进行简化表示，在图中比例插装流量阀的出口A与溢流阀的上腔口a相通，比例插装流量阀的进口B与溢流阀的下腔b相连。当液压缸C的负载加大时，比例插装流量阀出口的压力增大，使得作用在溢流阀a腔中阀芯上的力加大导致阀芯1下降，进而溢流口的开口减小，此时比例插装流量阀进口的压力加大，从而保持压差的基本恒定。反之，液压缸负载减小时，比例插装流量阀出口的压力减小，溢流阀阀芯1上移，溢流口开口相对增大，进而使比例插装流量阀进口的压力减小，同样保持压差的基本恒定。

4 比例插装流量阀的结构及参数

在某型45t稀土永磁材料粉末液压机中，选用Atos公司生产的LIQZO-TE系列带压力补偿的比例插装流量阀，其结构图如图2所示。此型号的电磁阀与集成放大器协同工作，集成放大器为流量阀提供适当的驱动电流，以校准流量阀的调整量，使之与供给放大器的输入信号相匹配。TE型为模拟式，流量调节通过带位置传感器3及双先导控制腔的阀芯1与阀套2配合实现的；阀芯的位移通过比例方向阀即先导阀4进行闭环控制，控制原理图如图3所示。

为了仿真需要，将LIQZO-TE系列比例插装流量阀及其集成放大器的特性参数分别列在表1和表2中。

5 带压力补偿的比例插装流量阀的建模分析与仿真

根据图1、图2及图3，将带压力补偿的比例插装流量阀的仿真模型利用AMESim软件搭建如图4所示。

为了便于带压力补偿的比例插装流量阀进行仿真，将其置于一个简单的液压系统中，该系统只提供压力和流量，没有任何负载。根据Atos公司的样本，溢流阀2选择的型号为AGAM-10，最大流量为200L/min，压力调节范围为7～210bar；溢流阀3选择的型号为JPC-2，最大流量为200L/min，最大进口压力为350bar；插装流量阀1的通径为16mm，各项性能参数在1-1中列出；先导阀4的型号为DHZO-TE*70，阶跃信号从0～100%变化的响应时间为15ms。

在图4的液压系统中先导比例方向阀4由独立的稳定液压源提供压力，压力大小Atos推荐为140～160bar，取P=150bar；插装阀主通道由独立稳定的流量源提供流量，流量大小240L/min。当给定阶跃信号的值为10V时，插装阀主阀芯左移完全打开，通过PID调节（P=200，I=10）后得到阀的集成放大器动态响应曲线如图5所示，插装阀主通道的流量动态特性曲线如图6中曲线所示。

6 仿真结果分析

从图5可以看出加装压力补偿器后的比例插装流量阀的集成放大器的阶跃信号响应时间约在25ms左右，与加装前比例插装流量阀的集成放大器阶跃信号响应时间22ms相差不大，满足控制系统要求；从图6可以看出比例插装流量阀主通道流量在小于其阶跃信号响应时间达到要求，且流量约为242L/min左右，与主通道设定流量240L/min几乎相同，完全满足液压机液压系统设计需要。

结论

通过本次对带压力补偿的比例插装流量阀建模与仿真，可分析其动态特性是否满足系统要求，为以后类似阀的建模与仿真打下了基础。此次建模与仿真过程表明利用AMESim软件系统对液压元件可进行准确、便捷的分析，为用户在设计制造时提供了可靠的理论依据。

参考文献

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