基于AMESim的定差减压阀建模与仿真_张力

图 ５ 变 阶 跃 负 载 时 减 压 阀 控 制 口 压 力 与 出 口 压 力 图 ６ 变 阶 跃 负 载 时 减 压 阀 的 压 差 曲 线
图 ７ 定 差 减 压 阀 的 油 控 口 压 力 源 恒 阶 跃 信 号
图 ３ 定 差 减 压 阀 的 油 控 口 压 力 源 变 阶 跃 信 号
［６］ 邹 伯 敏 ．自 动 控 制 理 论 ［Ｍ］．北 京 ：机 械 工 业 出 版 社 ，２００１．
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｎｉｆｏｒｍ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｄｒｏｐ Ｖａｌｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ
ＺＨＡＮＧ Ｌｉ，ＬＩ Ｗｅｎ－ｆｅｉ，ＺＨＡＯ Ｙｕ－ｂｅｉ，ＣＡＯ Ｃｈｕｎ－ｈｕａ
当定差减压阀正 常 工 作 时，作 用 在 主 阀 芯 上 的 力 是平衡的。设 Ａ 为 主 阀 芯 上、下 端 的 面 积，Ｆｓ 为 弹 簧 力，Ｆｇ 为 阀 芯 重 力，Ｆｂｓ为 阀 芯 上 的 稳 态 液 动 力，Ｆｆ 为 摩擦力，ｐ１ 为主阀芯 下 端 的 压 力，ｐ２ 为 主 阀 芯 上 端 的 压 力 ，则 主 阀 芯 上 的 力 平 衡 方 程 为 ：
第 ５ 期 （总 第 １８０ 期 ） ２０１３ 年 １０ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１３）０５－００５８－０３
Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．
基于 ＡＭＥＳｉｍ 的定差减压阀建模与仿真
张 力，李文飞，赵玉贝，曹春花
定差减压阀的结 构 如 图 １ 所 示，该 阀 由 主 阀 和 先 导阀两部分组成。当控制口 Ｋ 处压力 为 零 时，减 压 阀 不工作，阀芯处于常开状态。当控制口 Ｋ 处 的 压 力 减 小 时 ，主 阀 芯 上 移 ，阀 口 流 量 减 小 ，压 降 增 大 ，出 口 压 力 就降低。当控制口 Ｋ 处的压力增大时，推 动 主 阀 芯 下 降，阀口流量增大，压 降 就 降 低，减 压 阀 出 口 压 力 就 增 加。由此可见，定差减 压 阀 的 出 口 压 力 随 控 制 口 处 的 压 力 增 大 而 增 大 ，减 小 而 减 小 。
２．２ 仿 真 参 数 的 设 置 搭建好 减 压 阀 的 模 型，设 置 好 子 模 型 后，需 要 在
ＡＭＥＳｉｍ 环境参数设置中为各部分元件和子模型设置 参数：主阀芯直径为 Φ１４ｍｍ；缸体的腔长为１０ｍｍ；减 压阀出口阻尼孔直径为Φ０．５ｍｍ；控制口阻尼孔直径为 Φ１．８ｍｍ；主阀芯阻尼孔直径为 Φ１ｍｍ；主弹簧与先导 阀之间的阻 尼 孔 直 径 为 Φ０．５ ｍｍ；阀 的 最 大 开 口 量 为 ４ｍｍ；主阀弹簧的刚度为１０．７Ｎ／ｍｍ，初始位移的弹簧 力 为 １５４Ｎ；先 导 阀 的 弹 簧 刚 度 为 １０．７ Ｎ／ｍｍ，初 始 弹 簧力为１００Ｎ；减压阀的供油压力为２８ ＭＰａ；其余参数 为默认值。仿真时间为１５ｓ，通信间隔０．００１ｓ。 ２．３ 仿 真 分 析
（１）给 定 差 减 压 阀 的 控 制 口 一 个 变 阶 跃 信 号 ，前５ ｓ加一个３ ＭＰａ的信 号，中 间 ５ｓ加 一 个 ５ ＭＰａ的 信 号，最后５ｓ加一个７ ＭＰａ的信号，如图３所示。变阶 跃负载时定差减压阀 的 出 口 压 力 曲 线 如 图 ４ 所 示，减 压阀的控制口压力信号与出口压力信号的叠加如图５ 所示，减 压 阀 的 压 差 曲 线 如 图 ６ 所 示。 由 图 ５ 和 图 ６ 可知：减 压 阀 的 出 口 压 力 与 控 制 口 压 力 之 差 为 ５．５ ＭＰａ，压差减压阀的 出 口 压 力 跟 随 控 制 口 压 力 信 号 的 变 化 而 变 化 ，响 应 速 度 比 较 快 ，实 现 了 压 差 恒 值 控 制 。
收 稿 日 期 ：２０１３－０３－１１； 修 回 日 期 ：２０１３－０４－１８ 作者简介：张力 （１９８６－），男，河南焦作人，在读硕士研究生，主要研究方向为液压传动技术。
２０１３年第５期 张力，等：基于 ＡＭＥＳｉｍ 的定差减压阀建模与仿真
· ５９ ·
值控制。 ２ 定差减压阀的 ＡＭＥＳｉｍ 建模仿真及结果分析 ２．１ 模 型 的 建 立
ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 ８ 恒 阶 跃 外 负 载 时 定 差 减 压 阀 的 出 口 压 力 曲 线
由以上两组仿真 实 验 可 以 得 出：无 论 定 差 减 压 阀 由油控口反馈回的压 力 如 何 变 化，只 要 在 阀 的 可 控 额 定压力范围内，总能 保 证 阀 的 出 油 口 与 油 控 口 的 压 差 为５．５ ＭＰａ。由前面的 理 论 公 式 可 知，通 过 改 变 预 压
３ 结 论 （１）基于 ＡＭＥＳｉｍ 建立了定差减压 阀 的 模 型，修
改结构参数和控制参数后直接仿真就可得到减压阀的 各性能参数。这为下一步进行定差减压阀结构参数和 控制器参数的优化设计提供了条件。
（２）通过 ＡＭＥＳｉｍ 仿真，分析验证了 该 定 差 减 压 阀实现了出油口和油控口的定差控制。
· ６０ ·
机 械 工 程 与 自 动 化 ２０１３年第５期
缩 量 可 调 节 压 差 ，从 而 实 现 阀 对 负 载 变 化 的 跟 随 控 制 ， 实现压差恒值控制。
图 ９ 恒 阶 跃 外 负 载 时 减 压 阀 的 控 制 口 压 力 与 出 口 压 力
图 １０ 恒 定 阶 跃 外 负 载 时 减 压 阀 的 压 差 曲 线
与控制口压力之差为 ５．５ ＭＰａ。 由 此 可 见，定 差 减 压 阀的出口压力跟随控 制 口 压 力 信 号 的 变 化 而 变 化，响 应 速 度 比 较 快 ，实 现 了 压 差 恒 值 控 制 。
图 ４ 变 阶 跃 负 载 时 定 差 减 压 阀 的 出 口 压 力 曲 线
图 ２ 定 差 减 压 阀 的 仿 真 模 型
０ 引 言 定差减压阀一般是指进、出口压力差保持定值的减
压阀，通过定 差 减 压 阀 可 改 变 节 流 阀 口 的 补 偿 调 节 作 用 ，使 节 流 孔 两 端 压 差 和 通 过 流 量 基 本 保 持 恒 定 。 定 差 减压阀主要用在节流调速系统中，当负载力或油源压力 变化时 ，由于定 差 减 压 阀 的 补 偿 作 用 ，使 节 流 阀 两 端 压 差和流量基本保持不变，从而得到很高的调速刚性。
参考文献：
［１］ 雷天 觉．新 编 液 压 工 程 手 册 ［Ｍ］．北 京：北 京 理 工 大 学 出 版 社 ，１９９８．
［２］ 曹 春 花，李 志 琦，李 文 飞．一 种 定 差 减 压 阀 的 结 构 设 计 ［Ｊ］．液 压 气 动 与 密 封 ，２０１２，３２（７）：７９－８０．
［３］ 付永领，祁晓野．ＡＭＥＳｉｍ 系统建 模 和 仿 真 ［Ｍ］．北 京：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ，２００６．
［４］ 张雅芹．关于定差减压 阀 和 差 压 减 压 阀［Ｊ］．液 压 与 气 动， ２００５（１）：６３－６４．
［５］ 刘小 初，叶 正 茂，韩 俊 伟，等．基 于 ＡＭＥＳｉｍ 软 件 的 三 级 电液伺服阀建模与 仿 真 ［Ｊ］．机 床 与 液 压，２００８（１１）：１３５－ １３６，１４９．
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｕｎｉｆｏｒｍ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｄｒｏｐ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｎａｍｅｄ ＡＭＥＳｉｍ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｍａｙ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｉｆｏｒｍ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ－ｄｒｏｐ ｖａｌｖｅ；ＡＭＥＳｉｍ；ｍｏｄｅｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１－ 阀 座 ；２－ 内 六 角 圆 柱 头 螺 钉 ；３－ 主 阀 体 ；４－ 锥 阀 体 ； ５－ 节 流 器 ；６－ 锥 阀 芯 ；７－ 调 节 手 轮 ；８－ 主 阀 芯 图 １ 定 差 减 压 阀 的 结 构
由于弹簧的变 形 量 （即 阀 芯 的 开 口 量 ）ｘＲ 相 对 于 弹簧的预压缩量ｘｃ 可 以 忽 略 不 计，所 以 公 式 （３）可 简 化为：
定差减压阀主要 由 主 阀 和 先 导 阀 两 部 分 组 成，主 阀采用的阀芯结构是 滑 阀 式 的，先 导 阀 采 用 的 阀 芯 结 构是锥阀式的。由于本文中设计的新型定差减压阀， 在 ＡＭＥＳｉｍ 中的 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ元 件 库 中 没 有 结 构 相 同 的元件，因 此 运 用 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ 库 的 基 本 元 件 搭 建 新 的 定 差 减 压 阀 的 结 构 图 ，如 图 ２ 所 示 。
（中国矿业大学 （北京） 机电与信息工程学院，北京 １０００８３）
摘要：介绍了定差减压阀的结构及工作原理，利 用 ＡＭＥＳｉｍ 仿 真 软 件 对 定 差 减 压 阀 建 模 与 仿 真， 仿 真 结 果 验证了所建模型的正确性，从而为定差减压阀结构参数和控制参数的优化设计提供了参考。 关 键 词 ： 定 差 减 压 阀 ；ＡＭＥＳｉｍ； 模 型 ； 仿 真 中 图 分 类 号 ：ＴＨ１３４∶ＴＰ３９１．７ 文 献 标 识 码 ：Ａ
ｐ１－ｐ２＝ＫＡｓｘｃ 。 …………………………… （４） 由公式（４）可以 看 出，主 阀 芯 上、下 两 端 的 压 力 是 由弹簧刚度、预压缩 量 及 主 阀 芯 端 面 面 积 等 结 构 参 数 决定的，所以一旦阀 设 计 完 成 后，则 主 阀 芯 上、下 两 端 的压差即为定值。由于流过整个阀的出油口与油控口 的 流 量 与 流 过 阀 芯 上 、下 两 端 的 流 量 相 等 ，由 流 量 公 式 可 知 ，阀 的 出 油 口 与 油 控 口 的 压 差 为 主 阀 芯 上 、下 压 差 的倍数关系，而主阀 芯 上、下 两 端 压 差 为 恒 值，所 以 阀 的出油口与油控口的 压 差 也 为 恒 值，即 实 现 了 压 差 恒
笔 者 根 据 定 差 减 压 阀 的 结 构 原 理 ，运 用 仿 真 软 件 ＡＭＥＳｉｍ 对其进行建模，依据国外标准产品的参数来 设 置 模 型 的 各 项 参 数 并 进 行 仿 真 ，根 据 仿 真 结 果 来 验 证 所 建 模 型 的 正 确 性 ，从 而 为 阀 的 结 构 参 数 和 控 制 器 参数的优化设计提供了条件。 １ 定 差 减 压 阀 的 工 作 原 理
ｐ１Ａ＋Ｆｂｓ＝Ｆｓ＋Ｆｇ＋Ｆｆ＋ｐ２Ａ 。 ………… （１） 设 Ｋｓ 为 主 阀 芯 的 弹 簧 刚 度，ｘｃ 为 阀 芯 的 开 口 量 ｘＲ＝０时的弹簧预压缩量，则阀芯开口量 为 ｘＲ 时 的 弹 簧力可表示为：
Ｆｓ＝Ｋｓ（ｘｃ－ｘＲ）。 ………………………… （２） 将式（２）代入式（１）并 略 去 阀 芯 摩 擦 力、自 重 和 稳 态 液 动 力 ，得 ： ｐ１Ａ＝Ｋｓ（ｘｃ－ｘＲ）＋ｐ２Ａ 。 ……………… （３）
（２）给定差减压 阀 的 控 制 口 在 ０ｓ～１５ｓ内 加 一 个８ ＭＰａ的信号，如图 ７ 所示。定差减压阀的出口压 力曲线图如图８所示，减 压 阀 的 控 制 口 压 力 信 号 与 出 口 压 力 信 号 的 叠 加 如 图 ９ 所 示 ，图 １０ 为 恒 定 阶 跃 外 负 载下的压差。由 图 ９、图 １０ 可 知：减 压 阀 的 出 口 压 力