基于物理模型的电液调节阀动态设计与研究

　　0　引言

　　电液调节阀由电液执行机构和调节阀门组成,主要用于对调节阀要求大推力(推力矩)、长行程、高精度、快速响应的大型工业项目中,控制生产过程所需的物料或能量供给[1]。随着工业过程控制要求的提高,对调节阀的动态响应性能提出了更高的要求。电液执行机构的动态特性是影响电液调节阀动态响应性能的主要因素[2]。计算机仿真技术为在制造出具体的液压系统前获得有关该系统的动态响应信息提供了合适的方法。设计人员能否准确完成预先的动态响应特性分析,关键在于能否建立一个精确的动态仿真模型。Dasgupta等[3]探讨了液压系统油液选择的仿真模型。肖景岐等[4]建立了液压配流阀系统的仿真模型。吕云嵩[5]提出了阀控缸的统一频域模型。然而在实际操作中,由于液压系统各部件具有比较强的非线性耦合现象,很难获得精确的数学模型,直接利用传统的微分和差分方程建立的模型进行仿真并不能很好地反映实际系统的动态响应过程。

　　本文作者提出了一种基于物理建模仿真的液压系统动态设计方法,可以比较方便反映液压系统各元器件之间的相互影响关系。在此基础上,以电液调节阀为研究对象,建立了电液调节阀的物理仿真模型,进行了预测动态响应分析,为电液调节阀系统的优化设计提供了参考。

　　1　动态设计原理

　　基于物理模型的液压系统动态设计流程如图1所示。设计任务是做任何设计的依据,动态设计需首先明确系统的设计任务[6],但这并不意味着必须确定采用哪种特定的系统,仅仅是规定所应完成的任务。工况分析主要分析设计任务中各个执行元件在工作过程中的速度、负载等的变化规律,了解其所规定的响应品质,通常这是所需系统响应形式的一条以时间和响应幅值为坐标的时域曲线。对于拟定系统及其元器件这一步则需具体选出合适的回路构成完整的系统原理图,选取恰当的元器件并确定其主要参数。在完成系统与元器件的拟定后,建立基于AMESim平台的物理仿真模型并进行动态响应的仿真分析,当预测响应品质满足或通过参数优化能够满足期望响应的品质要求时,结束动态设计,形成最终设计方案;否则,需对所拟定的系统进行修改。

　　AMESim在统一的平台上可以实现包括机械、液压、气动、热、电和磁等多学科领域的物理建模,而且模型库中不同物理领域的模型单元都经过严格的测试和实验验证[7]。建模从元器件设计出发,既可考虑油液性质、环境温度、摩擦等难以建模的部分,也可根据系统在制造装配前确定的方案设置各部件的关键结构参数,如液压缸缸筒的内径、长度、活塞杆直径等,保证仿真情况与工程实际情况最大程度地接近。