二通比例流量插装阀的建模与仿真分析

肖体兵，苏乃权，洪永，温怡彰，邹大鹏，吴百海

(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006;2.佛山市恒力泰机械有限公司，广东佛山 528031)

0 前言

在液压传动及控制技术的发展过程中，比例控制和插装阀技术在20世纪的最后20年中得到了快速发展，被公认为是现代液压技术最重要的进展和转折点［1］。电液比例插装阀是通过改变液压控制中的先导级，使液压控制由间断开关控制发展到连续比例控制，具有流量大、响应快、耐高压、寿命长等特点，满足快速、平稳、高精度的技术要求。因此，在锻造压机、注塑机、压铸机等大型压机中得到广泛应用［2-3］。另外，插装阀的另一个突出优点是易于实现集成化配置，不受流量的限制，解决了大流量系统难以集成的难题，管路布置灵活，并可减少配管，使液压泵和油箱的布置也具有更大的灵活性［4］。

恒力泰公司的YP3500型陶瓷砖压机的压力控制主要由ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀来完成。该阀的性能直接影响到压机压力的控制精度，而压力控制的准确性直接影响到瓷砖的质量。研究的主要目的是建立该型比例流量插装阀的准确仿真建模，为建立YP3500型压力的整机仿真模型奠定基础。

1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀工作原理

1.1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀结构分析

YP3500型压砖机的压力闭环控制是由ATOS的LIQZO-LE-322型二通比例流量插装阀来实现的。该阀属于位移-电反馈插装式比例节流阀，其结构和原理如图1所示。该阀主要由阀芯1、阀套2、位移传感器3、比例方向先导阀4和集成电控器5组成。图中D、E两腔的压力由先导阀控制，称为控制腔，先导阀接单独的控制油路。C腔面积略大于A腔，两腔由阀芯内部的通孔连接，保证两腔压力一致，使主阀阀芯能够快速可靠地被关闭和打开。主阀芯的尾部安装有LVDT位移传感器，可直接检测主阀阀芯位移。

图1 ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀的结构和原理简图

从图1中可以看到，先导阀为一个带阀芯位移反馈的高频响电液比例方向阀，由比例电磁铁、位移传感器、阀芯、控制器组成先导阀阀芯位移的位置闭环控制系统。主阀阀芯的驱动装置相当于一个比例方向阀控制双作用活塞缸的位置闭环控制系统，其控制原理框图如图2所示。

图2 ATOS的LIQZO-LE型比例流量插装阀结构和原理简图

1.2 工作原理分析

LIQZO-LE型比例流量插装阀的控制信号有电压(0～10 V)和电流(4～20 mA)，下面以采用电压控制信号为例来介绍其工作原理。

(1)断电状态

当比例流量插装阀没有通电即处于断电状态时，先导阀处于左位 (常位、保护位)，控制缸的D腔通高压油，E腔与油箱相连，主阀发信处于关闭状态。

(2)通电关闭状态

当比例流量插装阀通电而控制电压信号为零时，先导阀处于中位。由于先导阀的中位机能为H型，此时控制缸的D腔与E腔相连通，压力相等。由于控制电压信号为零，故此时控制缸的位移也为零，主阀阀芯处于动态零位关闭状态。

(3)通电开启状态

当比例流量插装阀通电且控制电压信号大于零时，比例先导阀开启处于右位，高压控制油经过先导阀到达控制缸的E腔，而D腔通过先导阀与油箱相连，于是控制缸就会驱动主阀芯向上移动，主阀阀芯开启。主阀阀芯的开口大小与控制电压信号成正比，主阀芯的实际开口大小由固定连接在主阀芯尾部的的位移传感器实时检测，并反馈至放大器，形成闭环反馈，实现对主阀芯位移的精确控制。

从该比例流量插装阀的工作原理可知，主油路对主阀芯的作用力基本平衡，主阀芯的位移由先导阀控制D、E两腔的压力来控制，与主油路的流量和压力无关，所以阀的开启和关闭具有双向主动控制的特点，称之为双主动型比例流量插装阀。双主动型比例流量插装阀通过对主阀芯位置的精确定位，控制了阀口的开度，从而实现流量控制的目的。主阀芯带有缓冲头，还可避免开启关闭时的冲击。

2 ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀的AMESim仿真模型

利用AMESim提供的标准模型库以及HCD元件库搭建起来的LIQZO-LE型比例流量插装阀的仿真模型如图3所示。为了简化模型，考虑先导阀为高频响阀，因此先导阀直接采用液压库中的3位4通“H”型中位的伺服阀来建模。主阀部分没有可直接调用的相应模型，根据其工作原理，利用HCD元件库构建主阀的模型。13为主阀的节流口，采用通流面积与阀开口成函数关系的仿真模型BAO21(spool with specific orifice)，也可采用比较简单的带矩形节流槽的BAO0002子模型。9、10、12为主阀芯控制腔，选用BAP11-piston活塞子模型。利用饱和模块来限制控制器的输出电流信号不会超过伺服先导阀的额定电流。

图3 LIQZO-LE322型比例流量插装阀的AMESim仿真模型

2.1 仿真模型的参数设置

通过设置和修改仿真模型的参数的数值，使得阀的动静态特性与技术资料中给出的相符。在参数的设置中，要注意的事项如下:

(1)死区特性的保证

该阀存在10%左右的死区。如模块13采用BAO0002子模型，为了实现该特性，在参数设置时，先确定主阀阀芯位移xv的最大值xvmax和最大控制电压信号为umax，再将“控制信号-位移增益”模块的增益kux设为:

然后在主节流口模块13的参数“underlap corresponding to zero displacement”中设定阀芯遮盖量x0(即死区)的大小，该参数设为:

考虑死区之后，则主阀阀芯的开口xev为:

(2)压差-流量特性的保证

由于流量-压差特性:是电液比例插装阀在实际应用中最受关注的性能之一。反映了电液比例插装阀的通流能力［5］。该阀产品样本提供的阀口压降为0.5 MPa和1 MPa时的最大流量分别为800和1 120 L/min。

压差的设置相对比较容易，但要注意考虑油管的压力损失，要保证阀的A口和B口之间压差为0.5 MPa或1 MPa。难点在于流量的保证，其关键是通流面积的设置，因为流量的改变是通过改变节流口模块13的通流面积来实现的。

如模块13采用BAO21子模型，通过多次仿真，再对比仿真结果与产品说明书给出的空载流量特性曲线，最终得到如表1所示的节流口通流面积与阀开口、阀芯位移间关系。

表1 节流口开度与通流面积关系表

(3)动态特性的保证

ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀的打开时间是15 ms。主阀阀芯的打开就是一个典型的液压闭环位置伺服系统，该系统的动态特性越好，阀打开的时间就越短。影响阀的打开时间的参数主要有:(1)最大阀芯位移;(2)控制缸的两个控制腔D、E的容积大小;(3)PID控制器的参数;(4)阀芯质量和摩擦力;(5)先导阀的动态特性。

(4)AMESim仿真模型主要的仿真参数

经过多次仿真结果与产品样本所提供性能的对比，最终确定的仿真模型的主要参数如表2所示。

表2 LIQZO型二通比例流量插装阀仿真模型的有关仿真参数

3 动静态特性的仿真分析

(1)静态特性的仿真分析

空载流量特性即输出流量随输入信号的变化曲线，是评价比例节流阀的静态特性的重要指标之一，在实际应用中受到普遍关注［6］。图4(a)所示是厂家提供的该阀阀口压差Δp=0.5 MPa时的空载流量特性曲线。

根据比例节流阀动静态特性测试方案，将仿真模型与油源、油箱、控制信号相连之后就可搭建其测试系统的仿真模型，如图3所示。设控制油源的压力为14 MPa，将仿真模型的输入控制电压信号设为0～10 V的斜坡信号，对模型进行仿真，则可得到如图4(b)所示的该阀的空载流量特性曲线。从图中可以看出，仿真曲线与产品样本给出的性能曲线非常接近;该阀存在10%左右的死区;阀口压降为0.5 MPa和1 MPa时的最大流量分别为792和1 120 L/min。

图4 LIQZO-LE-322型比例流量插装阀的空载流量特性

主油源压力分别设为0.522 MPa和1.04 MPa(考虑油管压降，保证主阀节流口压降约为0.5 MPa和1 MPa)，控制电压信号在t=0.2 s时从0阶跃到10 V，得到如图5所示主阀阀口的流量变化情况。

图5 LIQZO-LE-322比例流量插装阀流量的阶跃响应特性

由图5可知:(1)死区的存在导致流量输出有延迟;(2)流量从稳态流量的10%达到90%所需的时间约为15 ms。厂家提供的该通径的比例流量插装阀的从10%的开口到90%的开口的打开时间约为15 ms，阀口压降为0.5 MPa时的最大流量为800 L/min，阀口压降为1 MPa时的最大流量为1 100 L/min。因此，仿真结果与厂家给出的技术指标比较相符。

输入控制信号u=5.45+3.45sin(2πft)，当f=3 Hz时，输出流量的幅值为628.6 L/min;当f=30 Hz时，输出流量的幅值为433 L/min;如图6所示。两者的比值为0.6888，衰减了3.23 dB。仿真结果与产品样本给出的伯德图相符。

图6 LIQZO-LE-322比例流量插装阀流量的频率响应特性

如果采用通流面积与阀开口成正比的节流口仿真模块BAO0002(spool with rectangular slot orifices)，则可得到如图7所示的空载流量特性曲线，与产品样本所给曲线相差较远。

图7 采用线性通流面积的LIQZO-LE-322阀的空载流量特性仿真曲线

4 结论

通过利用AMESim的HCD库提供的基本模块，根据ATOS的LIQZO型二通比例流量插装阀的结构和工作原理，搭建起了二通比例流量插装阀的仿真模型，分析了影响其动静态特性的仿真参数。通过仿真结果和产品样本提供的性能参数的对比，证明了所建立的仿真模型是准确的。该研究成果对其他比例流量插装阀的建模具有借鉴意义。

在实际工程应用中，比例流量插装阀的长期使用后，其各种性能与样本所给出的可能存在一定的偏差。此时，仿真模型的参数应根据实测的动静态来进行设置。

［1］刘能宏，田树军.液压系统动态特性数字仿真［M］.大连:大连理工大学出版社，1993.

［2］黄火兵，夏伟，屈盛官，等.比例控制与插装阀技术的应用与发展［J］.机床与液压，2007，35(4):229-231.

［3］李百炼.二通插装阀的结构、原理及其在液压机上的应用［J］.装备，2009(5):76-79.

［4］徐建方.多轴钻孔机床液压系统设计和插装阀的应用研究［J］.液压与气动，2011(1):47-49.

［5］付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真参考手册［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［6］于良振，王明琳，方锦辉.大流量电液比例插装阀液压测试试验台的设计［J］.液压气动与密封，2010(9):37-39.