基于AMESim的减压阀建模与仿真分析.pdf

基于 A ME S i m 的减压阀建模与仿真分析 余旋 陈海虹 郑瑜 史红燕 1贵州 I 大学机械工程学院贵阳5 5 0 0 0 0 2贵州詹阳动力重工有限公司 贵 阳5 5 0 0 0 3 摘要根据减压阀的工作机能，运用 A ME S i m提供的 HC D液压元件设计库构建减压阀的仿真模型，依照 阀的相关数据设置模型的各项基本参数，进行仿真。通过调节仿真模型的特定参数对减压阀进行性能分析，以 验证模型的正确性，为减压阀的设计和选择提供了依据。 、 关键词减压阀；A ME S i m；HC D液压元件库；仿真 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 2 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 1 0 0 0 3 2 0 4 Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e r e d u c i n g v a l v e，v i a t h e u s e o f HCD h y d r a u l i c c o mp o n e n t d e s i g n l i b r a r y p r o v i d e d b y AMES i m，t h e p a p e r b u i l d s s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e r e d u c i n g v Mv e ，a n d p e rf o r ms t h e s i mu l a t i o n i n a c c o r d a n c e w i t h the b a s i c p a r a m e t e r s o f t h e v a l v e ． A l s o ，t h e p a p e r a n a l y s e s t h e p e rf o r ma n c e of t h e r e d u c i n g v a l v e b y a d j u s t i n g t h e s p e c i fi c p a r am e t e r s of t h e s i mu l a t i o n mo d e l ， t o v e ri f y the c o r r e c t n e s s o f t h e mo d e l ，p r o v i d i n g a b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d s e l e c t i o n of t h e r e d u c i n g v a l v e ． Ke y wo r d s r e d u c i n g v a l v e ；AME S i m；HC D h y d r a u l i c c o mp o n e n t h b t a r y ；s i mu l a t i o n 0 考 I 言 减压阀通过调节将进口压力减至需要的出口 压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力 自动 资助项 目 贵州省科技计划课题 黔科合 G Z 字[ 2 0 1 0 ] 3 0 0 5 保持稳定 。减压 阀广泛用 于水压过高 的城 市高层 建筑给水管 网、矿井 等场合 ，以保 证给水 系统 中 各用水点获得适当的服务水压和流量。 A M E S i m是系统工程高级建模和仿真平台，它 自动装置 因故 障损 坏 ，通过手动装置可 以随时打 开夹 轨器 ，能保 证 装 船机 正 常 工作 和 开 到锚 固 位置。 手动液压 泵选型主要 考虑最大工作压 力、排 量 、手摇力等参数。结 合上述夹轨器 系统实际使 用仿真情况可得手动泵工作压力应不低于图 4 中压力峰值 约 1 2 M P a ；手动泵排量不低于 2 ． 3 m l ／ 次，手动泵手柄 最大手摇 力约 6 0 0 N，根 据图3 推杆行程，结合液压缸直径尺寸可以确定 手动装置油箱最小储 油量。手动泵应 自带卸荷 阀 以便回油卸荷使用，手动泵的出入油 口均应加手 动球 阀。 手动装置与现有 自动打开系统在 点用三通 接头连接，置 点位于液压缸和单向可调节流阀之 间，并在 点与单向可调节流阀之间加 1 手动球 阀，使用手动装置时关闭该手动球阀。 一 3 2 6 结束语 通过 A ME S i m软件对装 船机夹轨 器系 统设计 和使用情况进行动态仿 真分 析和 比较 ，有 效地反 映出夹轨器系统 中各参数 变化情况 ，同时也为夹 轨器系统手动打开装置改造提供了直接帮助 。 参 考文献 [ 1 ]付永领，祁晓野 ． A ME S i m系统建模与仿真 [ M] ．北 京航空航天大学出版社 ，2 0 0 6 ． [ 2 ]杨盐生，贾欣乐 ．不确定 系统的鲁棒控制及其应用 [ M] ．大连海事大学学术著作出版社，2 0 0 3 ． [ 3 ]梅生伟，申铁龙，刘康志 ．现代鲁棒控制理论与应用 [ M] ．清华大学出版社，2 0 0 3 ． 作 者李奉生 地 址 天津滨海新区南疆港区南港路 6 2 0 1 号操作二部 邮 编 3 0 0 4 5 2 收稿日期2 0 1 1 0 21 5 起重运输机械 2 0 1 1 1 0 提供 了系统工程设计 的完 整平 台，用户 可 以在 同 一 平 台上建立复杂 的多学科 领域系统 的模 型 ，而 A ME S i m 软件 中的 HC D H y d r a u l i c C o mp o n e n t D e s i g n 液压元件库功能强大 ，可以对各种液压元件 或液压装置建模 。其采用结 构单元建模 ，模 型较 直观 ，可在此基础上进行仿真计算和深入 的分析。 本文利用 A ME S i m提供 的 H C D液压元 件设计 库构建减压阀的仿真模型，依照阀的相关数据设 置模型的各项基本 参数并进行仿 真。通过调 节特 定 的仿真参数分 析减压 阀的性 能 ，从而验证 建模 的正确性。 1 阀的机能 图 1为所要构建的减压 阀，输入 压力 端为 P， 输 出载荷端 为 A，输 出端压力作为 阀的驱动压力。 构建该模型的主要 目的是使 阀的输 出端能够维持 1 个预定 的压力 。弹簧 力用 来维 持 阀的打 开状 态 ， 而驱动压力则使阀有关 闭的趋势。若负载压力低 ， 弹簧力将 阀打开 ，流量增加 ；若 负载压力 高 ，则 阀部分关 闭或 全关 闭。后 接油 箱负 责 回收排 油。 图 2是该系统的示意图。 图 1 减压阀 图 2 减压阀系统结构示意图 2 仿真模 型 根据图 2 ，应用 A ME S i m HC D库构造如图3所 示的仿真模型。在图 3中，液压腔动态特性通过 2 起重运输机械 2 0 1 1 1 0 管道子模型 H I_ 0 0进行模拟，驱动腔的体积未考 虑压缩性影 响。图 3所示 的模 型没有 考虑 泄漏 ， 对输 出端 A也没进行稳定化处理或设置阻尼孔 口， 阀的工作不理想。 图3 减压阀系统仿真模型 图 4是在图 3模型 的基础上稍加改进 的系统。 管道子模型 H I 0 0用压缩性元件 B H C 1 1代替。需 要指 出 的是 ，容积 变 化 由液 压 腔传 递 到 子模 型 BHC1 1。 图4 改进后的减压阀系统仿真模型 在图4中，由于标准 A ME S i m子模型只能提供 流量 ，所 以需 用 1液 压节 点 来 连接 可 变孔 口和 HC D子模型。考虑到左侧阻尼和输入端之 间的泄 漏 ，在阻尼孔 口附加 1 并行孔 口。 综上所述 ，图4所示 的仿真模型更合理 。 3 参数 设置 参照阀的相关数据 ，设置系统参数如表 1 。仿 真时间 1 0 S ，通信间隔 0 ． 0 1 s 。 本系统没有 考虑压力 的动态特 性 ，除 B A P 1 2 以外 的其 他子模 型 的相关 参数保 留默认 值 即可 ， 而 B A P 1 2则需给液压腔子模型提供一定的体积量。 当位移为 0时，腔长最小 ，输入量为 0 。可以通过 设定子模型 B H C 1 1中死体体积来增大输人值 。将 一 3 3 表 1 系统参数 子模型 参数设置 前 5 s 信号值由 0到 1 线性增 信号源 S i g n a l 0 3 加 ，后 5 S由1到0线性减小。 压力源 P S O lo 压力设为 1 0 M P a 可 变孔 口 V 0 R o o 孔 口最大直径设为 8 mm 阻尼孔 口 B H 0 1 1 孔 口直径设为 0 ． 5 m m 活塞 直径 1 0 m m B A P 1 2 1 活塞 杆直径 0 活塞 直径 1 0 mm B A P 1 2 2 活塞杆直径 4 mm 活塞 直径 1 0 m m B A 0 0 l 1 活塞 杆直径 0 零位 移的开 口量为 0 活塞 直径 1 0 mm 阀 B A F 1 l 接触长度 1 0 m i n 质量设为 0 ． 0 3 k g 粘性摩擦设为 1 O N ／ m S MA S 2 1 位移下限设为0 上限设为 0 ． 0 0 0 7 m 初始位移设为0 ． 0 0 0 7 m 弹簧力设为 2 0 0 N B A P 1 6 弹簧刚度设为 1 0 N ／ mm 控制腔 左 B H C 1 1 死体体积设为 2 c m 。 ，输出腔 右 B H C l 1 死体体积设为 1 0 0 c m 。 4 仿 真分析 1 考虑阀芯位移与负载压力之 间的关系 将表 1所示 的参 数输入模 型，进行仿 真，得 出阀芯位移 与负 载压 力之间 的关系 ，分 析所 构建 模型的压力特性 。阀芯位移变化 曲线如 图 5所示 ， 系统负载压力变化 曲线如图 6所示 。由图 5和 图 6 得出负载压力随阀芯位移的变化曲线 ，见图 7 。 图 6显示 负载压力 的变化。可 以看 出系统维 持 2 ． 5 MP a的压力 ，而在 5 s附近 ，压力 发生变 化 ，从 阀芯位移图可以发现 ，此时阀全开。由图 7 可以看出，若负载压力低，弹簧力将阀打开；若 负载压力高，则阀部分关闭或全关闭。 一 3 4 一 g 宝 匿 图 5 阀芯位移变化曲线 图 6 负载压力变化 曲线 O 1 O 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 阀芯位移／ 1 0 m 图7 负载压力随阀芯位移变化曲线 构建 的液压 阀模 型符合 阀所需 的机能 ，有 较 好的压力特性 。 2 考虑调节减压阀内的弹簧刚度对 阀的流量 特性的影响 其他参数设定 不变 ，通过 改变减 压 阀内的弹 簧刚度来分析输 出流量 ，从而研究弹簧 刚度对 阀 的流量特性 的影 响。采用 批处 理仿 真运 行模 式 ， 仿真结果见 图 8 。曲线 1为小于原 设计 弹簧刚度 5 N ／ mm下的流量 曲线 ，曲线 2为原设 计弹簧 刚度 1 0 N ／ m m下 的流量 曲线 ，曲线 3 、4、5 依次为逐渐大于原设计弹簧刚度下的流量曲线。 起重运输机械 2 0 1 1 1 0 加 ∞ 如 们 如 加 ∞ 至＼ 出搭妪 图8 不同弹簧刚度下输出流量的曲线图 9 0 8 m m ． ⋯． 图 阻尼孔 口直径为 ． 时负载压力变化曲线 减压阀的流量特性是指 输入压力一 定时 ，输 出压力随输 出流量 的变化而变化 的特性 。当流量 发生变化 时，输 出压 力 的变 化越小 越好。从 图 8 可 以看 出，曲线 l和曲线 2的线性变化 比较相似 ， 在流量发生变 化时 ，输 出压 力 的变化 均较小 ，其 反映出的流量特性都较好 。曲线 3 、4 、5在流量发 生变化 时，输 出压力 的变化 逐渐扩大 ，阀的流量 特性逐渐变差。 通过对 比，原设计 弹簧 刚度 1 0 N ／ m m是 较理想 的选择 ，构建 出的仿 真模 型具有较好 的流 量特性 。 3 考虑改变阻尼孔 口直径对 阀稳定性 的影响 将阻尼孔 口直径 由 0 ． 5 m m分别改 为 0 ． 8 m m 和 1 m m，保持其他参数不变，进行仿真，结果见 图 7和图 8 。 图 6为原阻尼孔 口直径为 0 ． 5 mm时负载压力 变化曲线 ，与 图 9 、图 1 O对 比，可以发现 ，随着 阻尼孔 口直径 变大 ，系统变 得不稳定 。说 明在驱 动腔内或是在 H L O 0 0管道 内的 1个很小的体 积都 可使系统趋于不稳定。 对 比发现 ，将阻尼孔 口直径设为 0 ． 5 m m时构 建的仿真模型相对稳定。 5 结 论 1 利用 A ME S i m 的图形化建模方法对减压 阀 进行仿真分析 ，避 免了繁琐 的流体计算 和大量 的 测试实验， 显示出A M E S i m软件是一个直观、 方便、 起重运输机械 2 0 1 1 1 0 图 1 0 阻尼孔口直径为 1 m m时负载压力变化曲线 高效的动态系统建模与仿真分析工具。 2 运用仿真软件 A M E S i m对减压阀进行建模 和仿真分 析 ，仿真结果反 映出所构造 的仿真模 型 具有较 好 的性 能特性 ，是 实 际模 型 的正确 反 映， 为该液压元件 的设计和选择提供 了依据。 参考文献 [ 1 ]付永领 ，祁晓野 ． A ME 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 5 ． [ 2 ]李永堂，雷步芳 ，高雨茁 ，等 ．液压系统建模与仿真 [ M] ．北京冶金工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ]肖岱宗 ． A ME S i m仿真技术及其在液压元件设计和性 能分析中的应用[ J ] ．舰船科学技术，2 0 0 7 ． 作 者余旋 地 址贵州省贵阳市贵州大学机械工程学院 邮 编5 5 0 0 0 0 收稿日期2 0 1 1 0 52 O 一 3 5