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基于AMESim的溢流阀动态特性研究
发布时间：2017-11-22
溢流阀是液压系统中的重要设备。其主要作用是通过事先调定的压力(溢流压力)来限定系统的最大压力，使液压系统不超过溢流阀的调定值，从而对系统起过载保护作用。溢流阀的主要应用：①为定量泵系统溢流稳压;②为变量泵系统提供过载保护;③实现远程调压;④用于多级调压;⑤使泵卸荷;⑥作卸荷溢流阀用;⑦作制动阀用;⑧作背压阀和加载阀用;⑨作溢流型调速阀的压力补偿阀。溢流阀按工作原理，分为直动式和先导式两种。与先导式溢流阀比较，直动式溢流阀结构简单、价格便宜。研究液压系统动态特性，过去用得较多的是古典控制工程中的传递函数分析法。
由于此方法的诸多局限，对动态特性的研究一直缺乏较成熟的方法。现代研究液压系统动态特性的途径主要是通过计算机仿真技术，建立仿真模型进而研究溢流阀动态特性，目前比较成熟的方法主要有两种：一是基于一定的程序语言环境(如VB、VC、MATLAB[2]等)通过功率键合图建立数学模型，进而编制仿真程序，把系统抽象为一系列的动态微分方程，通过运行程序对方程的求解进行仿真。这种方法的特点是所建模型结构严谨，但需编写大量程序。二是基于直观的图形界面的建模平台，直接在仿真平台(如SIMULINK、AMESim[1]等)上建立元件仿真模型，设置参数进行仿真，在整个仿真过程中系统模拟可以显示在该平台中。这种方法的显著优势是不用编写大量复杂的程序，而且其界面直观友好，是未来仿真方法的发展方向之一。AMESim 是多学科领域复杂系统建模与仿真平台，为工程师提供了一个协同系统仿真的软件环境。工程师可以在 AMESim 平台上建立复杂的多学科领域系统模型，深入研究系统和元件动态及稳态性能，帮助用户更快更好地完成设计任务。AMESim凭借面向工程应用的定位、多学科跨专业的耦合平台、快捷准确的建模方式和超强的交互仿真能力在世界范围内取得了巨大的成功，成为航空航天、汽车、液压等工业研发部门系统仿真的标准平台级工具。
AMESim 具有液压元件设计库 HCD 库(包括 THCD库)和气动元件设计库(PCD 库)等，这些库通过采用结构单元的细分来处理物理元件的多样性，这为对液(气)压系统某个元件特性的研究提供了极大的方便。
1建立仿真模型
根据国家标准，直动式溢流阀的实验系统如图 1。
由上述实验系统图在 AMESim环境下建立仿真模型如图2。
该模型中参数设置如表 1 所示。
2 仿真曲线验证
此仿真模型中仿真，得到阀芯的仿真动态特性曲线：阀芯位移-时间曲线;阀芯压力-时间曲线，分别如图 3、图4。实验曲线如图 5。
比较特性曲线及其参数可知，结果基本一致。其中仿真曲线的过渡时间较短是因为仿真平台软件本身的原因―――其环境中系统阻尼较小所致。实验曲线出现的频率近于200Hz的液压脉动，是由于液压泵的输油脉动所引起的，仿真时忽略其影响，故仿真曲线中无此波动。
由上述判定此模型是正确的，所以这种仿真方法是合理可用的。
3 动态特性仿真及分析
通过改变流量、压力等主要参数得到了与其他方法相一致的动态特性曲线。而在 AMESim 环境仿真过程中另外发现了一些对溢流阀动态特性影响也比较明显的其他参数。这些参数主要有：油液弹性模量、阀芯质量、粘滞系数等。其各自影响如下：
3.1 油液弹性模量的影响
由图 6、图 7 可知，油液的弹性模量越大，特性曲线超调量越大，上升时间越快;过渡时间越长，即阀的噪声越大、阀的灵敏度越高，稳定性越差;说明油液弹性模量对阀的灵敏度及信噪比影响较大，这是因为油液弹性模量与油液容性相关。
3.2阀芯质量的影响
由图 8、图 9 可知阀芯质量越大，特性曲线超调量越大，上升时间越慢，过渡时间越长;即阀的噪声越大、阀的灵敏度越低，稳定性越差;说明阀芯质量对阀的灵敏度及信噪比影响较大，这是因为阀芯质量越大、惯性越大的缘故。
3.3粘滞系数的影响
由图10、图11可知，粘滞系数越大，特性曲线超调量越大，上升时间越慢，过渡时间越长;即阀的噪声越大、阀的灵敏度越低，说明流量对阀的灵敏度及信噪比影响较大，这是因为粘滞系数越大，系统阻尼越大。
4 其 他
由上述结果分析可看出，有些不同的参数影响着溢流阀动态特性的同一方面，因此推断是参数之间的数学关系(不只是各个参数本身) 在决定着溢流阀的动态特性。为此在仿真的过程中同时改变两个或两个以上参数的值，结果发现一定范围内，是参数之间的一定的数学关系决定着阀的动态特性(虽然并不是线性的或严格的非线性函数关系)。所以在设计和制造阀的时候，应该综合的考虑各个参数，用系统的观点控制阀的参数。
5结 论
使用新的方法在 AMESim 环境下研究溢流阀的动态特性，所得动态特性仿真曲线和实验曲线基本一致，说明该方法所建立的模型是合理正确的。通过一系列的仿真得到的结论，对溢流阀结构优化及其他阀的研究等后续工作有一定的参考价值。
摘自：中国计量测控网
