基于AMESim的液粘调速离合器伺服阀建模仿真研究

田宇琦，王天驰，吴 凡，常震罗，侯天柱

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

基于AMESim的液粘调速离合器伺服阀建模仿真研究

田宇琦，王天驰，吴 凡，常震罗，侯天柱

(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

为了建立液粘调速离合器完整的液压控制回路，以伺服阀为例对回路中非标准阀的建模仿真方法进行了探讨。首先通过分析液粘调速离合器液压系统的工作原理，并结合伺服阀的结构，利用仿真软件AMESim建立了伺服阀块的物理结构模型。结合仿真分析，对控制油压与出口油压的关系以及影响出口油压的因素进行了研究。结果表明，弹簧预紧力决定了打开阀口时所需的控制油压，但却并不影响出口压力随控制油压的变化梯度。在此基础上将伺服阀放入液压控制回路中进行仿真，研究控制电流与工作油压的关系并与试验数据进行比较。结果表明，建立的伺服阀模型仿真结果与试验结果相吻合，为其他非标准阀块的建模仿真提供了参考依据。

液粘调速离合器；液压系统；伺服阀；AMESim；建模仿真

液粘调速离合器是一种综合运用了机械、电子控制及液压技术且同时具有流体剪切传动以及机械摩擦传动的新型传动装置，具有转速稳定、精度高、无级调速、理论传递转矩效率能达到100%的特点。此外还有较高的调速灵敏度，能够实现转速调节的遥控以及自动控制。液粘调速离合器可使电机在轻载下启动，缩短启动电流对电网的冲击时间，而当启动惯性较大的负载时，可以使其缓慢加速，起到防止传动系统过载的作用。同时，液粘调速离合器可以自动限制传递的扭矩，对传动系统起保护作用[1]。

液压系统作为液粘调速离合器的核心部分用于控制油膜厚度，对调速工作起决定性作用。由于液压系统中所用的非标准阀较多，系统组成结构较为复杂，各模块相互作用影响较大，对整体系统直接进行研究不易发现什么问题。本文应用仿真软件AMESim对非标准阀件中的伺服阀进行建模后先进行独立仿真，后加入到液压系统控制回路中进行仿真研究，由点到面，为其他非标准阀块的建模仿真打下基础。

1 液粘调速离合器结构及液压系统

液粘调速离合器是基于牛顿内摩擦定律通过粘性液体油膜的剪切力来传递动力的，本体结构主要由输入轴、输出轴、摩擦片、对偶片和粘性流体组成，图1所示为液压控制系统原理图，该系统由控制回路和冷却回路两个部分组成。

油液经溢流阀调定压力后，先通过一个由电动控制阀和手动控制阀串联先导控制的伺服阀，控制出口油压及流量。随后油液到达奥米伽阀，奥米伽阀阀芯会依靠转动时的离心力自动调节入口开度，以达到控制作用在油缸上的油液压力的目的。压力作用在液压缸上压紧离合器摩擦片，就能够提高带负载的能力。

本文重点研究对象为液压系统控制回路中的伺服阀，其主要作用就是与电磁控制阀和手动控制阀共同作用，限制伺服阀阀口流量，调整控制油压使阀芯受力平衡，从而控制出口油压。

2 基于AMESim的仿真模型建立

本文基于法国Imagine公司推出的多学科领域复杂系统建模仿真平台AMESim来进行相关研究。AMESim拥有一套标准且优化的应用库，避免了繁琐的数学建模，但并不能完全表述一些特殊结构的非标准阀件，比如本次研究的对象——液粘调速离合器液压系统中的关键阀件伺服阀，这时就需要利用液压元件设计库来建立符合相应特性的模型。

伺服阀如图2所示为一个三通阀[2]。首先考虑其控制油腔，该腔容积可变，与阀芯位置相关，所以可使用如图3所示的活塞模型来表示。该模型有1个容腔和1个进出油口，进油、出油由容腔容积的变化决定。

图3中由控制油腔的外部变量可以看出，端口1在传递油压和流量信号的同时，还传递了一个用于考虑油液可压缩性的容积变量，因此该端口还需要与一个容积模型相连接。控制油腔模型中还有另外2个端口与活塞从两端相连接用于传递位移和力，因为该模型活塞一端为自由端，可加上零力源模型，另一端则与阀芯相连[3]。

对于伺服阀中的节流结构，可使用滑阀阀芯配环形槽结构，开口面积如图4所示。

图中x为阀口开度，为正数时，阀口打开，阀芯两端通道接通，中间有油液流通；为负数时，阀芯与阀座重叠，开口阻断。

对于节流口，计算油液流通流量及对应压降时，需使用孔口节流公式[4]：

式中：Cq为流量系数；A为节流口面积；ΔP为出入口油压差；ρ为油液密度；ρ(0)为标准状态下油液密度。

建立阀口模型时，根据该伺服阀的阀口结构，在AMESim中选择对应模型为环形开口模型，如图5所示。该模型有4个端口，根据图2所示伺服阀结构，泄油口进油口对应端口1。因此在出油口到泄油口模型中，端口1为泄油口；在进油口到出油口模型中，端口1为进油口，然后两个模型中的端口2相连即组成出油口。上述模型中还有比较重要的参数，如阀芯圆弧度和阀芯阀座配合间隙。

图6中rc为阀芯弧度，dc为阀芯阀座配合间隙。在考虑配合间隙以及阀芯圆弧的情况下，阀开口的节流面积公式为：

(2)

式(2)中的一些尺寸参数俱可以在图6中找到，并由AMESim通过阀口开度x自行计算。当x为负，该节流口连接的两通道相当于关闭，但也有部分油液通过阀芯与阀座的配合间隙流动，流量计算公式为：

式中：Kg为使该流量公式在x=0时连续的系数。

环形开口模型还有一个参数为液动力系数。在油液流经阀口时，由于动量的变化对阀芯产生一定的作用力为：

式中：a为节流口面积；θ为油液出流角；Δp为阀口前后压差。

最后，伺服阀中的弹簧结构可采用元件库中的弹簧腔模型表示。

将以上模块组合在一起，就可得到最终的伺服阀的整个模型，如图7所示，其中加入质量块是用于限制阀芯的位移。

3 仿真分析

前文介绍过，由于系统的复杂性，直接将模型加入到整体系统中去不易发现问题所在。为了测试伺服阀的相关特性，将伺服阀从整体系统中独立出来进行仿真分析，所得简化模型如图8所示。为了得到控制油压与出口油压之间的关系，将控制油压作为控制量，采用恒压源模拟其控制油压使控制油压大小成阶梯状变化，而伺服阀进油端连接液压泵，出油端连接液压缸。

设置控制油压由2bar增大到10bar，如图9中曲线1所示，经仿真后发现伺服阀出口油压变化如图9中曲线2所示，曲线3为伺服阀入口油压，维持在30.25bar左右。

由图9可以观察到出口油压随控制油压的改变而发生的变化：在控制油压小于4bar时，伺服阀的出口没有压力,说明此时的阀口还未打开；当控制油压继续增长时,发现此时阀口打开且油压迅速增长，控制油压增长2bar的情况下出口油压增长了近10bar。此外，在控制油压发生改变时，出口油压均会发生少许震荡，但不超过1s又恢复平稳，说明仿真的阀块响应良好。

由图9可知，想要打开阀口产生出口油压需要一定的控制油压，而伺服阀中的弹簧预紧力能够影响该控制油压值。设置控制油压曲线如图10所示，弹簧预紧力分别为150.0N、270.5N、350.0N时，控制油压分别在2bar、4bar、5bar时打开阀口出现油压。由此可知，预紧力越大则阀口打开所需控制油压也越大，但阀口出口压力随控制油压的变化梯度并没有明显变化，出口压力对控制油腔的油压变化仍然十分敏感。

控制阀口打开实际上是控制阀芯的位移，观察阀芯的位移以及出口油压可以发现阀芯的位移变化很小，因为伺服阀出油口的重叠量为4mm，所以阀芯位移在大于4mm后阀口才打开。图11中是弹簧预紧力为270.5N时的阀芯位移曲线，对比图10中的控制油压以及出口油压可以看出，其位移变化虽然不大，但带来的出口油压的变化是很大的。

4 试验验证

液粘调速离合器试验台布置如图12所示，主要包括驱动电机、转矩转速传感器、联轴器、液粘调速离合器、负载电机。主要试验伺服阀及其所在液压系统的工作情况，驱动电机转速为1 500r/min，主要观察当在控制箱上改变控制电流时，箱体上显示工作油压的压力表的变化情况，同时将伺服阀块模型放入液压系统中去构成完整的控制回路，观察伺服阀在回路中的工作情况，得到控制电流所对应的油缸工作压力，数据记录见表1，对比曲线图如图13所示。

5 结束语

本文给出的针对伺服阀的建模仿真方法，为液压系统中其他非标准阀件模型的建立提供了一种新的思路，为今后液粘调速离合器液压系统的设计提供了一定的技术基础。通过液压系统试验得出的电流和伺服阀出口油压数值与液压控制回路仿真得出的仿真结果对比，发现结果相符，误差没有超过规定的15%的范围。但目前仅是针对液压系统的仿真研究，存在的误差对以后总体系统的研究的影响还未知，还需要对可能产生误差的因素如模块子模型的选取、部分参数的设定、模型的复杂程度进行进一步的研究并完系统善模型，使仿真结果能够更好地指导产品方案的设计。

[1] 魏宸官，赵家象．液体粘性传动技术[M]．北京：国防工业出版社，1996：3-5.

[2] 李壮云．液压元件与系统[M]．北京：机械工业出版社，2005：198-202.

[3] 付永领，齐海涛．LMSImagine.LabAMESim系统建模和仿真实例教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011：4 -31.

[4] 胡明祥．对节流孔口流量特性的讨论[J]．鄂州大学学报，2001，8(4)：60-61.

Modeling and simulation for servo valve in hydraulic system of hydroviscous variable speed clutch based on AMESim

TIAN Yuqi, WANG Tianchi, WU Fan, CHANG Zhenluo, HOU Tianzhu

(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute of China Shipbuilding Industry Co., Shanghai, 200090, China)

In order to establish the complete hydraulic control circuit of hudroviscous variable speed clutch, it takes the servo valve as example to propose the technology of modeling and simulating for non-standard valves in the circuit. Based on the analysis of operation principle for hydraulic system in hudroviscous variable speed clutch and the structure of servo valve, it builds the model of servo valve with the simulation software AMESim, analyzes the relation of controlling oil pressure and output oil pressure, simulates the influence factor of output oil pressure. The result indicates the initial segment tension of spring, decides the controlling oil pressure which can open the valve port but have no effect on the changing variation gradient of output oil pressure. It also describes the relation of controlling electric current and working oil pressure, compares the result with test data. The results show that the simulation of servo valve is consistent with the test data. This provides reference for other modeling and simulation of non-standard valves.

hydroviscous variable speed clutch; hydraulic system; servo valve; AMESim; modeling and simulation

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.003

2015-03-20

田宇琦(1991—)，男，江苏盐城人，中国船舶重工集团公司第七一一研究所硕士研究生，主要研究方向为船用机械传动装置。

TH137.52

A

2095-509X(2015)05-0011-05