ASCO電磁閥動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與研究之間有什么關(guān)聯(lián)
    ASCO電磁閥直接利用傳統(tǒng)的微分和差分方程建立的模型進(jìn)行仿真并不能很好地反映實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。
    本文作者提出了種基于物理建模仿真的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，可以比較方便反映液壓系統(tǒng)各元器件之間的相互影響關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，以電液調(diào)節(jié)閥為研究對象，建立了電液調(diào)節(jié)閥的物理仿真模型，進(jìn)行了預(yù)測動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，為電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。
    ASCO電磁閥基于物理模型的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。設(shè)計(jì)任務(wù)是做任何設(shè)計(jì)的依據(jù)，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)需明確系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)[6]，但這并不意味著必須確定采用哪種特定的系統(tǒng)，僅僅是規(guī)定所應(yīng)完成的任務(wù)。工況分析主要分析設(shè)計(jì)任務(wù)中各個(gè)執(zhí)行元件在工作過程中的速度、負(fù)載等的變化規(guī)律，了解其所規(guī)定的響應(yīng)，通常這是所需系統(tǒng)響應(yīng)形式的條以時(shí)間和響應(yīng)幅值為坐標(biāo)的時(shí)域曲線。對于擬定系統(tǒng)及其元器件這步則需具體選出合適的回路構(gòu)成完整的系統(tǒng)原理圖，選取恰當(dāng)?shù)脑骷⒋_定其主要參數(shù)。在完成系統(tǒng)與元器件的擬定后，建立基于AMESim平臺(tái)的物理仿真模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真分析，當(dāng)預(yù)測響應(yīng)滿足或通過參數(shù)優(yōu)化能夠滿足期望響應(yīng)的要求時(shí)，結(jié)束動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，形成終設(shè)計(jì)方案；否則，需對所擬定的系統(tǒng)進(jìn)行修改。
    AMESim在統(tǒng)的平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)包括機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電和磁等多學(xué)科域的物理建模，而且模型庫中不同物理域的模型單元都經(jīng)過嚴(yán)格的測試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[7]。建模從元器件設(shè)計(jì)出發(fā)，既可考慮油液性質(zhì)、環(huán)境溫度、摩擦等難以建模的部分，也可根據(jù)系統(tǒng)在制造裝配前確定的方案設(shè)置各部件的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如液壓缸缸筒的內(nèi)徑、長度、活塞桿直徑等，保證仿真情況與工程實(shí)際情況地接近。
    ASCO電磁閥液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。啟動(dòng)液壓泵，并使二位二通電磁換向閥1的電磁鐵通電，此時(shí)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作在調(diào)定的壓力下，調(diào)節(jié)溢流閥2可以改變液壓系統(tǒng)的工作壓力。計(jì)算機(jī)根據(jù)調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的設(shè)置，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，以模擬信號的形式輸出設(shè)定信號，使電液比例方向閥3工作。液壓泵輸出的壓力油路給蓄能器5充液，儲(chǔ)備液壓能，以備快速關(guān)閉或開啟的應(yīng)急功能；另路經(jīng)過電液比例方向閥3進(jìn)入液壓缸9，推動(dòng)活塞移動(dòng)，調(diào)節(jié)閥門10打開。位移傳感器實(shí)時(shí)檢測調(diào)節(jié)閥開口量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將信號輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過電液調(diào)節(jié)閥控制器的處理后，又將信號輸出給電液比例方向閥。電液比例方向閥根據(jù)傳來的信號符號與大小確定調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的移動(dòng)方向和位移量，也就是調(diào)整調(diào)節(jié)閥開口的大小。電磁換向閥6用于實(shí)現(xiàn)電液調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉或開啟的應(yīng)急功能，而手動(dòng)換向閥8用于實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的機(jī)械手輪降操作。
    ASCO電磁閥正常工作時(shí)，電磁換向閥1、6和手動(dòng)換向閥8處于關(guān)閉狀態(tài)，蓄能器5在系統(tǒng)的正常工作壓力下將充滿液并保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，建模仿真時(shí)可省略電磁換向閥1以及用于應(yīng)急功能和機(jī)械手輪降操作的部件，主要分析過濾裝置、泵、溢流閥、電液比例方向閥、液壓缸以及負(fù)載之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。圖3為應(yīng)用AMESim建立的電液調(diào)節(jié)閥物理仿真模型。與調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)剛性連接的運(yùn)動(dòng)部件總集中于元件M上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)摩擦特性也通過M施加。除摩擦力、調(diào)節(jié)閥門的閥芯不平衡力外，其余作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)載通過力轉(zhuǎn)換單元F施加。
    ASCO電磁閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真分析
    在傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確定液壓泵的壓力規(guī)格時(shí)，需對進(jìn)油管路上的壓降進(jìn)行估計(jì)，然后在工作壓力中加上進(jìn)油管路壓降的估計(jì)值，從而克服管路額外壓降對系統(tǒng)正常工作的影響。但在實(shí)際操作中，很難在設(shè)計(jì)階段對額外壓降進(jìn)行的估計(jì)。圖4、5分別為根據(jù)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)進(jìn)行仿真后得到的調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線。仿真中油液密度為850kg/m3，動(dòng)力粘度為5.1×10-2 Pa?s，溫度為40℃，泵的流量為55L/min，液壓缸缸筒內(nèi)徑為35mm，長度為1m，活塞桿直徑為15mm，元件M為20kg，粘性摩擦系數(shù)為0.2，風(fēng)力系數(shù)為0.3，庫侖摩擦力為100N，靜摩擦力為150N，力轉(zhuǎn)換單元F為負(fù)2500N，調(diào)節(jié)閥門所控流體入口壓力p為2.3MPa?？紤]到進(jìn)油管路上的額外壓降，溢流閥開啟壓力為3.8MPa。
    ASCO電磁閥從全關(guān)到60%開度的響應(yīng)時(shí)間約為0.7s，響應(yīng)速度比較快，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度在調(diào)節(jié)閥的開啟過程中始終處于變化狀態(tài)，在開啟的初期還存在個(gè)振蕩過程，難以確保調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，進(jìn)而造成整個(gè)系統(tǒng)控制的變差。為了保證調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需對設(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。應(yīng)用AMESim的批處理功能，將溢流閥的開啟壓力在3.8MPa基礎(chǔ)上，每次遞減0.01MPa，變化80次的情況下運(yùn)行批處理仿真。經(jīng)篩選，當(dāng)溢流閥的開啟壓力為3.8MPa、3.6MPa、3.55MPa、3.42MPa時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度曲線分別如圖6、7中的曲線1—4所示。由圖可知，當(dāng)溢流閥的開啟壓力為3.55MPa時(shí)，在保證調(diào)節(jié)閥響應(yīng)速度的同時(shí)確保調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。
    從這個(gè)ASCO電磁閥可以提前預(yù)知所設(shè)計(jì)的電液調(diào)節(jié)閥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣，如還不滿足所要求的設(shè)計(jì)指標(biāo)，則可進(jìn)步改進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，直滿足設(shè)計(jì)要求為止。
    ASCO電磁閥的物理仿真模型，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真分析?；贏MESim的物理建模方式可以避免繁瑣的公式推導(dǎo)，使設(shè)計(jì)研究人員從數(shù)學(xué)建模中解放出來，從而更加專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，通過對實(shí)際物理系統(tǒng)的各種工作狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，除了可以確定參數(shù)匹配外，還可使各種設(shè)計(jì)缺陷在制造出具體的液壓系統(tǒng)前就顯現(xiàn)出來并得到及時(shí)的處理，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低制造成本。