基于AMESim的定差减压阀建模与仿真.pdf

第 5 期 总第 1 8 0期 2 0 1 3年 l O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECH AN1 CAL ENGI NEE RI NG AUT MATI N NO． 5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 5 8 0 3 基于 AME S i m 的定差减压阀建模 与仿真 张 力 ，李文飞 ，赵 玉贝，曹春花 中国矿 业大 学 北京机 电与信息工程 学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 介绍 了定 差减压 阀的结构及 工作原理 ，利 用 AME S i m 仿真软件对 定差减压 阀建模 与仿真，仿真 结果 验证 了所建模型的正确性，从 而为定差减压 闽结 构参数和控制参数 的优化设计提供 了参考 。 关键词 定差减压阀；AME S i m模型 ；仿真 中图分类号 TH1 3 4 TP 3 9 1 ． 7 文献标 识码 A 0 引言 定差减压阀一般是指进、 出口压力差保持定值的减 压阀， 通过定差减压阀可改变节流 阀口的补偿 调节作 用， 使节流孔两端压差和通过流量基本保持恒定 。定差 减压 阀主要用 在节流 调速系统 中， 当负载力 或油 源压力 变化时， 由于定差减压阀的补偿作用， 使节流阀两端压 差和流量基本保持不变， 从而得到很高的调速刚性。 笔 者根 据定差 减压 阀的结 构原 理 ， 运 用 仿 真软 件 AME S i m对其进行建模 ， 依据国外标准产品的参数来 设置模型的各项参数并进行仿真，根据仿真结果来验 证所建模型的正确性，从而为阀的结构参数和控制器 参数 的优化 设计 提供 了条 件 。 1 定 差减 压 阀的工作原 理 定差减压阀的结构如图 l所示 ， 该 阀由主阀和先 导阀两部分组成。当控制 口 K处压力为零 时， 减压 阀 不工作 ， 阀芯处于常开状态。当控制 口 K处的压力减 小时 ， 主阀芯上移 ， 阀口流量减小， 压降增大， 出口压力 就降低 。当控制 I 1 K处的压力增大时 ， 推动主阀芯下 降， 阀口流量增大 ， 压降就降低， 减压阀出 口压力就增 加。由此可见， 定差减压阀的出口压力 随控制 口处的 压力增 大而增 大 ， 减 小而 减小 。 当定差减压阀正常工作时， 作用在 主阀芯上的力 是平衡 的 。设 A 为 主 阀芯 上 、 下 端 的 面积 ， F 为 弹 簧 力 ， F 为阀芯重力 ， 为阀芯上 的稳态液动力 ， F 为 摩 擦力 ， P 为 主阀芯 下端 的压 力 ， P 。为 主 阀芯 上 端 的 压力 ， 则主阀芯上的力平衡方程为 P l A F s F F Fr P2 A。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 设 K 为主阀芯的弹簧刚度 ， 为 阀芯的开 口量 X 一0时的弹簧预压缩量 ， 则 阀芯开 口量为 时的弹 簧 力可表 示 为 F 一K 一z R 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 将式 2 代入式 1 并略去阀芯摩擦力、 自重和稳 态 液动力 ， 得 P 1 AK --3 C R P 2 A。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 1 一 阀 座 } 2 一 内六 角 圆 柱 头螺 钉 ， 3 一主 阀 体 ； 4 一 锥 闽 体 ； 5 一节 流器 ； 6 一锥阀芯； 7 一调节手轮 ； 8 一主阀芯 图 1 定差减压阀的结构 由于弹簧 的变形 量 即 阀芯 的开 口量 z 相 对 于 弹簧的预压缩量z 可 以忽略不计 ， 所 以公式 3 可简 化 为 P 一警 。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 由公 式 4 可 以看 出 ， 主 阀芯 上 、 下 两 端 的 压 力 是 由弹簧刚度、 预压缩量及 主阀芯端面面积等结构参数 决 定 的 ， 所 以一 旦 阀设计 完 成 后 ， 则 主 阀芯 上 、 下 两 端 的压差即为定值 。由于流过整个阀的出油 口与油控 口 的流量与流过阀芯上 、 下两端的流量相等 ， 由流量公式 可知， 阀的出油 口与油控 口的压差为主阀芯上、 下压差 的倍数关系， 而主阀芯上、 下两端压差为恒值 ， 所 以阀 的出油 口与油控 口的压差也为恒值 ， 即实现 了压差恒 收稿 日期2 o 1 3 0 3 1 1 ；修回 t3期2 0 1 3 0 4 1 8 作者简介张力 1 9 8 6 一 ，男 ，河南焦作人 ，在读硕 士研究生 ，主要研究方向为液压传 动技术 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 5期 张力 ， 等 基 于 AME S i m 的定差减压 阀建模与仿真 5 9 值 控 制 。 2定差减压阀的 A ME S i m 建模仿真及结果分析 2 ． 1 模 型 的建 立 定差减压 阀主要 由主 阀和先导 阀两部分组成 ， 主 阀采用的阀芯结构是滑 阀式 的， 先 导阀采用 的阀芯结 构是锥阀式的。由于本文 中设计 的新型定差减压 阀， 在 AME S i m 中的 Hy d r a u l i c 元 件库 中没有结构 相 同 的 元件 ， 因此 运 用 Hy d r a u l i c C o mp o n e n t De s i g n库 的 基本元件搭建新的定差减压阀的结构图， 如图 2所示。 图 2定 差减 压 阀 的 仿 翼 模 型 2 ． 2 仿真参数的设置 搭建好减压 阀的模型， 设 置好 子模型后 ， 需要在 AME S i m环境参数设置中为各部分元件和子模型设 置 参数 主阀芯直径 为 4 mm； 缸 体 的腔 长 为 1 0 mml 减 压阀出口阻尼孔直径为 ． 5 mm； 控制口阻尼孔直径为 中 1 ． 8 i n l n ； 主阀芯阻尼孔直径为 l mmi 主弹簧与先导 阀之间的阻尼孑 L 直径为 ． 5 mm； 阀的最大开 口量 为 4 m m； 主阀弹簧的刚度为 1 O ． 7 N／ mm， 初始位移的弹簧 力为 1 5 4 N； 先导阀的弹簧刚度为 1 O ． 7 N ／ mm， 初始弹 簧力为 1 0 0 Ni 减压阀的供油压力为 2 8 ME a l 其余参数 为默认值。仿真时间为 1 5 s ， 通信间隔 0 ． 0 0 1 S 。 2 ． 3 仿 真分析 1 给定差减压阀的控制 口一个变阶跃信号， 前 5 S 加一个 3 MP a的信号 ， 中间 5 S 加一个 5 MP a的信 号 ， 最后 5 S 加一个 7 MP a的信号 ， 如 图 3所示 。变阶 跃负载时定差减压阀的出口压力曲线如图 4所示 ， 减 压阀的控制 口压力信号 与出 口压力信号的叠加如图 5 所示 ， 减压阀的压差 曲线如图 6所示。由图 5和图 6 可 知 减 压 阀 的 出 口压 力 与 控 制 口压 力 之 差 为 5 ． 5 MP a ， 压差减压阀的出 口压力跟 随控制 口压力信号的 变化而变化 ， 响应速度 比较快 ， 实现了压差恒值控制 。 t ／ s 图 3 定差减压 阀的油控 口压 力源变阶跃信号 2 给定 差减 压 阀的 控 制 口在 0 S t 1 5 S内加 一 个 8 MP a的信号 ， 如图 7所示。定差减压 阀的出口压 力 曲线图如图 8所示‘ ， 减压 阀的控制 口压力信号与出 口压力信号的叠加如图 9所示 ， 图 1 O为恒定 阶跃外负 载下 的压 差 。 由图 9 、 图 1 0可 知 减 压 阀 的 出 口压 力 与控制 口压力之差为 5 ． 5 MP a 。由此可见 ， 定差减压 阀的出口压力跟随控制 口压力信号的变化而变化 ， 响 应速度 比较快， 实现了压差恒值控制。 Us 图 4 变阶跃负载时定差减压 阀的出 口压力 曲线 t ／ s 图 5 变 阶跃负载 时减压 阀控制 口压 力与 出口压 力 l 5 ∞ 1 0 生 O l t ／ s 变阶跃负载时减压阀的压差 曲线 t ／ s 图 7 定差减压 阀的油控 口压力源恒阶跃信号 3 0 2 5 日2 0 l 5 l 0 6 r i o Z 4 6 8 l o 1 Z l 4 l 6 ds 图 8 恒阶跃外 负载 时定差减压 阀的出口压 力曲线 由以上两组仿真实验可以得 出 无论定差减压阀 由油控 口反馈回的压力如何变化 ， 只要在 阀的可控额 定压力范围内， 总能保证 阀的出油 口与油控 口的压差 为 5 ． 5 MP a 。 由前 面 的理论 公 式 可 知 ， 通 过 改 变 预 压 6 0 O O O O 9 9 9 9 茧 ∞ ∞∞ ∞∞ ∞∞ ∞ ∞ 8 8 8 8 8 7 7 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年第 5 期 缩 量可 调节 压差 ， 从 而实 现 阀对负 载 变化 的跟 随控制 ， 实现压差恒值控制 。 3 O 25 时 生 2 O 1 5 1 O 0 ／ ，pl r r 、 ＼ p 2 6 t l a 图 9 恒 阶跃外负载 时减压 阀的控 制 口压力与出 口压力 2 1 1 要 r ⋯ 。 。 t l s 6 3结论 1 基于 AME S i m建立了定差减压阀的模型 ， 修 改结构参数和控制参数后直接仿真就可得到减压阀的 各性能参数 。这为下一步进行定差减压阀结构参数和 控制器参数的优化设计提供 了条件 。 2 通过 AME S i m仿真， 分析验证 了该定差 减压 阀实 现 了出油 口和油 控 口的定 差控 制 。 参考文献 [- 1 3 雷天觉． 新 编液压 工程手 册[ M] ． 北 京 北京 理工 大学 出 版社 。 1 9 9 8 ． [ 2 ] 曹 春花 ， 李 志琦 ， 李 文 飞． 一种 定 差 减 压 阀 的结 构设 计 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 3 2 7 7 9 8 O ． E 3 ] 付永领 ， 祁 晓野． AME S i m系统建模 和仿 真[ M] ． 北 京 北 京航空航天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 1- 4 3 张雅芹． 关于定差减压阀和差 压减压 阀E J 3 ． 液压 与气动 ， 2 0 0 5 1 6 3 6 4 ． E 5 3 刘 小初 ， 叶正茂 。 韩俊伟 。 等． 基于 AME S i m 软件 的三 级 电液伺 服阀建模 与仿 真[ J ] ． 机 床与液 压 ． 2 0 0 8 1 1 1 3 5 1 36， 1 4 9． [ 6 ] 邹伯敏． 自动控制理论[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． 图 1 O 恒 定阶跃外 负载 时减压阀的压差 曲线 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f Un i f o r m- p r e s s u r e - d r o p Va l v e Ba s e d o n AM ES i m ZHANG Li ．LI W e n - f e i ．ZHAO Yu - be i ，CAO Chu n- hu n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g ， C h in a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g＆ Te c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ． Ch i n a Ab s t r a c t Th e t h e o r y o f u n i f o r m- p r e s s u r e - d r o p v a l v e wa s i n t r o d u c e d a n d i t s mo d e l wa s s e t u p b y u s e o f s o f t wa r e n a me d AM E S i m ． Th e r e s u l t s ma y p r o v i d e a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f t h e v a l v e a n d v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f t h e mo d e l o f t h e va l ve ． Ke y wo r d sun i f or m- pr e s s ur e - d r o p v a l v e；AM ES i m ；mo de l ；s i mu l a t i o n 上接 第 5 7页 4结 论 利用 Hy p e r me s h作为前处理软件对排气系统进 行有限元建模 ， 根据模态分析理论 与平均驱动 自由度 AD D OF D 法， 通过 MS C ． Na s t r a n软件计算排气 管 系统的 自由模态 ， 并将各阶模态振型加权后求和得到 AD D OF D最小位置点作为挂钩潜在位置点 ， 结合排气 系统 的实 际位置对 排气 系统 的挂 钩位 置进 行优 化 。该 方法能加快开发速度、 减少试验次数并降低开发费用 ， 对于排气系统的前期开发有着重要的指导作用 。 参考文献 [ 1 ] 马开柱 ， 陈剑 ． 王建 楠． 排 气 系统模 态分 析及悬 挂点 位置 E 2 3 [ 3 ] [ 4 ] E s l [ 6 ] 优化[ j ] ． 机械设 计与制 造 ， 2 0 0 8 1 1 2 0 2 2 0 3 ． 傅志方 ， 华宏星． 模态分析理论 与应 用[ M] ． 上 海 上海交 通大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． 徐献阳 ， 李松波 ， 张建武． 某轿 车排气 系统 振动 特性 仿真 及优化[ J ] ． 机械 ， 2 0 0 8 ， 3 5 3 1 3 1 4 ． 邢素芳 。 王现荣 ， 王超 ． 等． 发动机排 气系统振 动分析 [ j ] ． 河北工业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 5 1 0 9 - 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