基于AMESim反比例溢流阀动态特性研究.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3 卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS J u 1 ．2 0 l 5 Vo 1 ． 43 No ． 1 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 5 4 基于 A ME S i m反 比例溢流阀动态特性研究 邓经纬，曹楚君 湖南高速铁路职业技 术学院铁道机 电系，湖南衡 阳 4 2 1 0 0 2 摘要在 A ME S i m仿真软件中，建立了反比例电磁溢流阀的模型。将该模型应用在智能风扇冷却系统 中，通过仿真分 析 ，得到在输入不同占空比 P WM电流信号时，溢流阀电磁线圈、阀芯位移 、溢流压力 、溢流流量 、马达流量等动态响应 曲线 ，为实现智能风扇冷却系统的控制提供了理论依据。 关键词 反比例电磁溢流阀； 动态特性；占空比；智能风扇 中图分 类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 - 1 6 6 - 3 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f t h e I n v e r s e - p r o p o r t i o n a l Re l i e f Va l v e Ba s e d o n AM ES i m D E N G J i n g w e i ，C A O C h u j u n D e p a r t me n t o f E l e c t r i c a l R a i l w a y ，H u n a n T e c h n i c a l C o l l e g e o f R a i l w a y Hi g h S p e e d ，H e n g y a n g H u n a n 4 2 1 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h e AME S i m s o f t w a r e ，t h e i n v e r s e p r o p o r t i o n a l r e l i e f v alv e d y n a mi c mo d e l W a S b u i h． T h r o u g h s i mu l a t i o n a n a l y s i s ， t h e d y n a mi c r e s p o n s e c u r v e s o f t h e s o l e n o i d r e l i e f v a l v e w e r e o b t a i n e d， i n c l u d i n g t h e c u r v e s o f v a l v e c o r e d i s p l a c e me n t ， r e l i e f p r e s s u r e ， r e l i e f fl o w a n d mo t o r fl o w a t P W M s i g n a l s wi t h d i f f e r e n t i n p u t d u t y c y c l e ． I t p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e c o n t r o l t o i n t e l l i g e n t f a n c o o l i n g s y s t e m． Ke y wo r d s I n v e r s e p r o p o rti o n a l r e l i e f v a l v e；Dy n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ；Du t y c y c l e ；I n t e l l i g e n t f a n 随着现代工业技术的快速发展 ，电液比例技术已 经广 泛应 用于工 程机械 领域 。电液 比例 阀显著 的优点 是抗 污染 能力强 ，大大减少 了因污染所造成 的工作故 障 ，提高 了液压 系统 的工作稳定性 和可靠性 。另一方 面 比例 阀的成本 比伺 服阀低 ，结构也 简单 ，在许多场 合 正逐 步取代 了伺 服阀。 文中所 涉及 的反 比例溢 流阀是一 种直动式反 比例 电磁溢 流阀 ，是 电磁工 程机械智 能风扇控制 系统 中风 扇转速控制元件。 ⋯ 一 警 、 ， 。 图 1 智能风扇系统液压原理 图 如图 1 所示 ，比例溢流阀安装在泵的负载传感回 路上，系统温度经过 P I D运算后，转化为 P WM电流 信号，作为比例溢流阀的输入 ，调整泵的输出流量 ， 控制风扇马达的转 速 ，达到节 能环保 的 目的。因此 ， 对此系统 中反 比例电磁 溢流阀进行仿 真研究 ，对 系统 优化具有重要的意义。 1 反比例溢流 阀的结构原理 常规 比例溢流阀的输出压 力均随输入信 号的增 大 而升高。所谓反比例是指电磁阀的输出压力随输入信 号的增大而降低。在智能风扇控制系统中，选用反比 例溢流阀是确保在出现 电气故障时 。风扇 以最大转速 正常工作 。反 比例溢流阀的结 构原理 如图 2所示 。 l 一 阀体 2 一 复 位弹 簧 3 一 阀 芯 4 一 衔铁5 一线 圈 6 一弹簧 7 一挡铁 8 一 电磁铁支架 9 一磁隔 l O 一工作气隙 图 2 反比例电磁阀结构图 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 4 基金项 目湖南省科技厅课题 2 0 1 3 g k 3 0 2 6 作者简介 邓经纬 1 9 6 7 一 ，男 ，副教授 ，高级工程师 ，主要从事工程机械与液压技术 的教学和研究工作 。 通信作者 曹楚君 ，E - m a i l c a o c h u j u n s i n a ． c o m。 第 1 4期 邓经纬 等基于 A ME S i m反比例溢流阀动态特性研究 1 6 7 该溢流阀属于直动式溢流阀，通常用于系统先导 控制 回路 中。其工作 原理是 当线 圈不通 电时 ．阀芯 3被弹簧 6偏置在最大位置 ，此时溢流 阀设定 压力为 最大值 ，阀E l 有少量油液流过；当线圈通电时，线圈 产生足够的电磁力和阻尼，在液压力的共 同作用下 ， 驱动衔铁带 动阀芯运 动 ．阀 口随线 圈电流成正 比例开 大，同时系统压力随线圈电流成反比例降低。当线圈 电流达到某一定值时，阀E l 不再增大，压力保持在溢 流阀的最低调定压力 ，溢流量也达到最大值 。 2 反比例溢流阀动态特性 该 比例溢 流 阀属 于 直动 式 电磁 阀 ．动 态 响应 受 机 、电、液 、磁等因素影响 。其 比例电磁铁 的动态特 性 由线 圈电流 、电磁 吸力及衔铁位移 的过渡过程特性 决定 。 2 ． 1 线圈电流动 态特性 比例电磁铁的线圈电流动态特性不仅与线圈动态 特性电感有关 ，而且还受衔铁运动速度的影响，其线 圈电流动态过程方程可表示为 _ 1 ] U o t L c R c i f K b 1 式 中U o t 为线 圈电压 V ； 为线 圈电感 H ； i t 为线圈 电流 A ； 为线圈 电阻 Q ； 为反电动势系数 V s ／ m ； Xc t 为衔铁位移 m 。 2 ． 2电磁 铁 输 出力动 态特性 比例电磁铁属于励磁式电一 机械转换器件，衔铁 在磁场 中受到 的电磁力为 _ 2 f o t ， t N ／ 2 R Z 2 式 中 t 为电磁力 N ； Ⅳ为线圈匝数 R 为气隙磁阻 H ，R g 。 A； Z 为气 隙长度 m ，Z 一 t ； 为气 隙的初 始长度 m ， 。为真空磁导率 I - I ／ m ； A为气隙部位垂直于磁力线的面积 m 。 对式 2 进行线 性化处 理可得 f o t K ， t 。 t 3 式中 为比例电磁铁电流一 力增益 N ／ A ， Ki ； K 为比例 电磁铁位移 一 力增益 N ／ m ， 。 由于电磁铁具 有水 平 的位 移 一 力 特性 ，故 K 一 0 ，是一个极小值。 2 ． 3阀芯动力学动态平衡 由牛顿运动定律可得溢流 阀阀芯 的动力学平衡方 程 t t A _ P g t c o s 一 K X 0 t m l m2 日 3 式中 P t 为溢流阀稳态输 出压力 P a ； A为液压力作用 面积 m ； m 为阀芯质量 k g ； m 为衔铁质量 k g ； P为液体密度 k g ／ m ； q t 为液体流经锥阀阀口流量 L ／ m i n ； 为液体流经锥阀阀口的速度 m ／ s ； K为阀芯弹簧刚度 N ／ m ； 为弹簧 的初始压缩量 m ； 为阀芯黏性阻尼系数。 2 ． 4阀 口流量 方程 通 过该 阀阀 口的油液溢 流量方程 为 C d W x t ㈩ A 4 式 中 C 为阀 口流量系数 为阀 口面积梯度 。 3 反比例溢流阀建模与仿真 A M E S i m是法 国 I m a g i n e 公 司开发的传动系统和 液压 、机械系统建模 、仿真及动力学分析软件 ，它为 用户提供 了一个 系统工程设计 的完 整平 台 ，可 以建立 复杂的多学科领域系统的数学模型。 采用 A ME S i m软件建立溢流阀 的仿真模型 ，将 电 磁阀机 、电、液、磁 g者的非线性关 系耦合到系统 中 ，利用软件 的分析工具 。可 以直观清楚地分析线 圈 电流、电磁力、阀芯位移与溢流阀压力、流量等各参 数动态特性 。 利用 A M E S i m软件建立的反 比例电磁溢流阀模型 如 图 3所示 。 图 3 反 比例电磁 溢流阀 A ME S i m模 型 图中．溢流 阀的输人 为一定 占空 比的 P WM信 号 放 大的电流信号 系统 动力源变 量泵 为一个超 1 6 8 机 床与液压 第 4 3卷 级元件 ，它代 表受 系统压力 流量控 制 的负载敏 感泵 ； 执行元件为双向定量齿轮马达单向阀防止马达吸 空；采用旋转负载表示冷却风扇。溢流阀主要仿真参 数设 置如表 1 所示 。 表 1 主要仿真参数表 输入电压 2 4 V D C 阀芯质量 2 8 g 线圈电阻 1 8 ． 6 n 弹簧刚度 2 7 N ／ m m 线圈匝数 2 9 5 0 衔铁气隙 1 ． 3 mm 在 0 ． 1 s时 加 载 频 f 4 0 0 H z 的 P WM信 号 ，仿 真 时 间为 0 ． 3 s 。 -R 对反比例电磁溢流阀 要 A ME S i m模 型 进 行 仿 真 分析， 得到不同占空比 。0 ．2 仉 龟 。 L 。 L 时 ，溢 流 阀 电 磁 线 圈 、 图4 反比例电磁溢流 溢流压力 、阀芯 位移 、 阀控制特征曲线 溢流流 量 、马 达 流 量 等 的 响 应 曲线 ，如 图 4 9所 示 。 l 0 ≤ 0 髫 o 0 0 时 间 f ／ s 图 5 反 比例 电磁溢 流 阀电流响应曲线 0． 35 鲁0 ． 3 0 罢 0 ．2 5 0． 20 0 ． 1 5 鎏 0 ．1 0 0 ． 0 5 0 4 0 0 ． 1 0 0 ． 2 O 0 ． 3 0 时 间 f ， s 图 7 反 比例 电磁溢流 阀 阀芯位移 响应 曲线 1 ． 0 0 O． 80 o 上 Ⅱ0 ． 4 0 0． 20 0 ． 0 0 时 间 f ／ s 图 6 反 比例 电磁溢 流 阀压力响应曲线 j 2 5 2 。 爨s 涮0 0 0 ． 1 0 0 ． 2 O O ． 3 0 时 间 s 图 8 反 比例 电磁溢流 阀流量 响应 曲线 0 2 4 6 8 1 0 时 间 f ， s 塞 泵输 出 流量 达 输入 流 量 空 比 图 9 柱塞泵、马达流量随占空比变化曲线 可以看 出 1 溢流 阀溢 流压 力随 电磁 阀 电流 的增加而接近线性降低 。即溢流阀的输出压力与输入 信号成 反比例 。 2 占空 比越大 ，电磁 线圈 电流越 大，阀芯位移也越大 ，而溢流阀压力越小。也证明了 反比例压力 阀压力值 随输入信号的增大而降低 的特 性。 3 电流值从零增大到最大值 响应时间在 6 0 m s 以内；溢流阀压力在 1 0 m s 内达到最大 ，在 9 0 m s内 达到稳定值。说明溢 流阀 的响应速度 较快 。 4 各 占空比情况下，阀芯位移在 0 ． 1 3 m m以内，溢流量 在 3 ～ 5 L ／ m i n之间 。位移与流量 比较小 ，而且变化不 大，说明该溢流阀是小流量的先导阀，流量受输入信 号扰动小。 5 泵 的输 出流 量 、马达 的流量 随输 入 P WM信号 占空比增 大而减少 。 4反 比例 溢流 阀应 用 此反比例溢流阀通常应用在工程机械散热冷却系 统 中。与压力流量负载敏感 柱塞泵组成控制风扇转速 的智能风扇系统 。经温度传感器采集液压油温 、发动 机水温、变速箱油温，3种温度 比较后取大值，通过 P I D运算，转化为不同占空 比的 P WM 电流信号，作 为溢流阀电磁铁的输入信号，溢流压力随输入电流信 号呈反 比例关系变化 ，进 而调整 柱塞泵 的输 出流量 ， 控制马达与风扇 的转速 ，实现不同温度下 、马达与风 扇转速不 同的 目的，从而调整系统 的散热量 ，将 系统 温度控制在一个合理 的范围 中。 图 1 O 智能风扇冷却系统控制模型 5 结论 在 A M E S i m仿真 软件 中 ．建立 了反 比例 电磁溢流 阀的模型 。将该模型应用在智能风扇冷却 系统 中 。通 过仿真分析，得到不同占空比时．溢流阀电磁线圈、 阀芯位移 、溢流压力 、溢流流量 、马达流量等 的响应 曲线 ，为实现与优化智能风扇冷却 系统的控制提 供了 理论依据。 参考文献 [ 1 ]吴根茂 ， 邱敏秀， 王庆丰 ， 等． 新编实用电液 比例技术 [ M] ． 杭 州 浙江大学出版社 ， 2 0 0 6 9 2 9 3 ． [ 2 ]许益明． 电液比例控制系统分析与设计 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 5 3 6 4 0 ． [ 3 ]何仁， 吴海啸， 张涌， 等． 无级变速器用反比例溢流阀特 性分析与试验[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 8 ， 3 9 7 2 3 2 6 ． [ 4 ]苏明， 陈伦军． 基于 A ME S i m的电磁阀高速开关阀动静 态特征研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 2 6 8 7 2 ． [ 5 ]倪文波， 王雪梅 ， 李伟， 等． 基于 P WM技术的电空比例阀 研究[ J ] ． 机车电传动， 2 0 0 5 3 1 2 1 5 ． f 6 ]袁洪滨 ， 张民庆 ， 孙彦堂 ． 基于 A ME S i m 的直动式 电磁 阀 动态仿真研究 [ J ] ． 火箭推进 ， 2 0 1 I ， 3 7 5 3 0 - 3 5 ． 二 r 曼 空空 一 M 一 一 一 ． 占 占 一 3 ～ }_ 而 一 咕 咕 ， 一 罐一 一 三 一 一 一 3 5 7 8 O O 0 O 比 比 比 比 空 空空 空 占 占 占 占 二一『 l 23 4 3 5 7 8 0 0 0 0 比 比 比 比 空 空空 空 占 占 占 占 一一二 1 2 3 4 舳 ∞ 蛐 加埘O l _Ⅱ l 叩． 1 删媾丑孽 I 稍嚣 鲫 ∞鲫 0 一 L u I Ⅲ ． 1 蛹 爆 锌 胛