键合图在高速开关阀建模与动态仿真中的应用研究

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键合图在高速开关阀建模与动态仿真中的应用研究冉光宇，吴家柱(贵州詹阳动力重工有限公司)摘 要：运用磁路理论分析高速开关阀电磁铁的机械一电磁耦合作用，再运用键合图理论建立先导式高速开关阀的键合图模型，准确而形象地描述阀中机械一电磁相互耦合的关系，并据此推导出阀的数学模型，最后运用MATLAB／Simulink软件进行动态仿真。结果表明：键合图理论是电液控制系统建模与仿真的一种有效方法，可为高速开关阀的性能分析及优化设计提供理论依据。

关键词：磁路理论；键合图；高速开关阀；耦合高速开关阀是一种新型的数字式电液转换元件，其物理模型具有非线性、多能域耦合的特点。传统的建模方法对于多能域耦合系统的建模具有局限性，难以用统一的形式对系统进行建模和数字仿真u1。键合图理论是一种适用于多能域耦合系统建模的理论，用键图的形式描述系统能量的传输、转化、贮存、耗散。这种方法具有形象、直观、模块化结构、调用方便、建模规则化等优点 。

本文以螺纹插装式高速开关阀为研究对象，运用键合图理论建立该阀电磁铁的键合图模型，并推导出其数学状态方程，最后运用 MATLAB／Simulink软件进行动态仿真分析。

1 高速开关阀结构及工作原理高速开关阀作为电液比例多路阀的先导控制阀，控制方式采用脉宽调制(PwM)。其原理是通过向线圈加载一系列脉冲电信号控制电磁铁产生吸力，使得阀芯高速正 、反向运动，实现对进、回油口油液的交替通、断控制。利用高速开关阀进、回油口形成的可变液阻所构成的 A型液桥(即输入、输出液阻均为可变液阻)输出的压力来控制功率级主阀阀芯的位移 ，而 A型液桥输出的平均压力与输入PWM信号脉宽占空比成比例关系151，因此可以通过调节PWM信号的占空比来实现电液比例多路阀的流量连续按比例地控制。

图 1为螺纹插装式高速开关阀结构原理图。当线圈6通电时，衔铁7产生电磁吸力，克服油液压力、阀芯惯性力及黏性阻力的作用，推动进油球阀1、回油球阀3一起向左运动，直到回油球阀3紧靠在阀座上，此时阀芯完全开启。当线圈6断电时，进油球阀 1、回油球阀3与衔铁 7在油液压力的作用下一起向右运动，直到进油球阀1紧靠在阀座上，此时阀芯完全关闭。

1 2 3 4 5 6 7 8 9控制目 f ／ f ／ ＼+ f l＼^^ 、x 、、j． ＼"t／^，，，，，，，，y，，，，，， dl删 If 囱W-／~I I f II I I一 === < 目1．进油球阀 2．阀座 3．回油球阀 4．阀体 5．极靴6．线圈 7．衔铁 8．磁轭 9．衔铁管图 1 螺纹插装式高速开关阀结构原理图2 机械一电磁耦合作用电磁铁通过线圈电流激励磁路产生磁通，磁通使磁路产生电磁力，从而实现阀芯的运动。由磁路作者简介：冉光宇(1980一)，男，贵州贵阳人，工程师，学士，研究方向：轮式工程机械。

一 24— Il；，
、 铁位移 的函数，H；Ⅳ 譬 蔷 耋蓑纂阀电磁铁的键合图模型前 ，需 图模 的建立规则，可以建立其键合R ¨ F、 鬻；0? ，。。 I L I 一 、 0l机械系统 液 系统 TF AR I c． 、 l 璧辫p， lQI4r ．， I_ ty2 F3—2 I J 1- IV lA2 l一 lr R R l▲ ▲ l0 一 一 一 一 一 一 一 ? 一 J图 2 高速开关阀键合图模型键合图模型中有 ，g，，，厶，C ，Cz等 5个储能元件，分别选取它们上面的变量 ， ， ，Q，， z对时间的积分为状态变量，即日 ， ， ， ， 。根据键合图理论及它们所对应的物理规律 ，可推导出电磁铁键合图模型对应的状态方程如下：(3)(4)一 25— 疗z z—R z一鲁 (5)等 志 (6)=c ，、／ (ps ·)-A r、／ (7)辅助方程：·=_HI (8)L(x )= (9)(10) 丽 1=2CdCvA 3cosa(ps 1) (1 1)F~=2CaCvA 4OOSOL·P1 (12)p·= El (13)式中：U为电源电压，V； 为开关阀阀芯惯性力，N；，，，为线 圈 由乐 ．V： 为角 壹9=懦 件 力 ．N：V 俪壹I}穆一 26一 动速度 ，m／s； 为开关阀阀芯质量 ，kg；I为线圈电感，H；I。为负载质量，kg；C 为控制腔液容，mS／N；C2为弹簧柔度系数，m／N； 。为衔铁位移 ，m；X：为负载位移，m；H。为衔铁动量 ，N·S； 为负载动量，N·s；。为控制腔油液体积压缩量，in。；R 为衔铁黏性阻尼系数，N·s／m；R 为负载黏性阻尼系数，N·s／m；N为线圈匝数； 为线圈电阻，Q； ( )为磁路磁阻，H ；Cd，C 分别为阀口流量系数、阀口流速系数；为进油口稳态液动力，N； 为回油口稳态液动力，N；A 为油液在球阀阀芯上的作用面积，In ；A：为油液在负载上的作用面积，m ；A，为进油阀阀口通流面积 ，1TI ；A 为回油阀阀口通流面积 ，in ；p 为控制腔压力，MPa；p 为供油压力，MPa；p为油液密度，kg／m ；OL为球阀阀座半张角，(。)。

4 Simulink仿真模型根据前 面建立 的数学模型 ，运用 MATLAB／Simulink建立电磁铁的动态仿真模型，研究其动态响应特性，如图3所示。

电磁铁 ]：作气隙图 3 电磁铁 Simulink动态仿真模型 以下是电磁铁的部分仿真参数 ：电源为 U=24 V的脉冲周期信号；频率向 33 Hz；空气磁导率／zo=4'rxl0 H／m；油液压力psv=3 MPa。

1．OO．80．60．40．20．0擒 -0．2霹 -0
．4- 0．6- 0．8一 1．0654篷 2皇簿均墼lO≤遮哥陬O．《)0．01 0．O2 0．O3 0．04 0．05 0．06 0．07 0．08 0．09×10^4时间5 仿真与分析其他参数不变，占空比D分别为 l％，5％，50％，96％，99％时，衔铁位移和线圈电流的动态响应曲线如图4所示。

(a)占空比D=1％0．00 0．0l 0．o2 0．03 0．04 0．05 0．06 0．07 0．08 0．09时问，s×l0_4堪脚匿《0．02 O．O3 0．04 0．(15 O．O6时问，s0．07 0．08 0．090．00 0．01 0．O2 0．03 0．04 0．05 0．06 0．07 0．08 0．09时间，8(b)占空比D=5％J时间，s脚强 一 、-．一 -1 --q(c)占空比D=50％时间，s一 27— 2 0 8 6 4 2 O 2OO 0 O 0 0譬构潍±0匿×1O_4≤退锄豳《0．00 0．01 0．02 0．03 0．04 0．05 0．o6 0．07 0．08 0．09 0．00 0．0l 0．02 0．03 0．04 0．05 0．06 0．O7 0．08 0．09对问，8． 时间，s (
d)占空比D=96％ ‘。‘×lO≤掣翌《r ： rI时问／s 时问，s(e)占空比D=99％图4 不同占空比下阀芯位移、线圈电流响应曲线占空比D=1％时，由于衔铁初始主工作气隙最大，磁路的磁阻最大，导致电磁铁产生的电磁力不足以克服衔铁的运动反力，衔铁保持静止，阀始终处于关闭状态。

占空比D=5％时，电磁铁产生的电磁力能够克服衔铁运动反力而运动。但是由于控制信号的脉冲宽度过窄，衔铁未运动到极限位置就开始返回，导致阀无法完全开启。

占空比D=50％时，阀芯能够正常开启和关闭，高速开关阀正常工作。

占空比D=96％时，衔铁还未回到初始位置时，下一个脉冲来临，电流又开始上升，衔铁在电磁力作用下克服阀芯运动反力又向极靴运动，导致阀无法完全关闭。

占空比D=99％时，在一个周期内电流产生的电一 28— 0磁力始终大于阀芯运动反力，致使衔铁始终保持在极限位置，而阀一直处于最大开启状态。

综上分析，由于线圈电感的作用，导致高速开关阀阀芯延迟开启和延迟关闭，为了使阀在较大占空比范围内正常工作，可以通过减小阀芯开启和关闭的时间来实现。

6 结论键合图理论作为一种多能域耦合系统建模的理论，具有形象、直观、模块化结构、建模规则化等优点。运用键合图理论可以方便地推导出高速开关阀的数学模型，并依据该模型建立 MATLAB／Simulink仿真模型。最后，通过对仿真结果进行分析得出：减小阀芯开启和关闭的时间可以使高速开关阀在较大占空比范围内正常工作，提高阀的工作频率。

参考文献【1]王中双，陆念力．键合图理论及应用研究若干问题的发展及现状[J]．机械科学与技术，2008，27(1)：72—77.

f2】卢贵主，胡国清．利用键合图和SIMULINK实现液压系统动态仿真 ．机床与液压，2001(4)：79—8O.

【3l黄维纲，王旭永，王显正，等．高速电磁开关阀开关特性机理研究阴．上海交通大学学报 ，1998，32(12)：38—41.

[4]任锦堂．键合图理论及运用——系统建模及仿真[M】．上海：上海交通大学出版社，1992.

[5]吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等．新编实用电液比例技术【M】．浙江：浙江大学出版社，2006.

通信地址：贵州省贵阳市花溪区中槽路97号 贵州詹阳动力重工有限公司(550006) (收稿 日期：2013—05—15)大功率液力机械性能试验台的研制鲁士军，张彦杰，东 方(天津工程机械研究院鼎成公司)摘 要：为解决大功率(传递功率 1 000 kW以上)液力偶合器、变矩器性能检测，研制驱动功率1 000 kW液力机械性能试验台。详细介绍试验台的功能、系统组成、软硬件的实现、工作原理以及操作功能。偶合器、变矩器性能试验检测结果表明，该系统运行稳定，安装调试方便，结构简单，操作简便，自动化程度高，数据采集精确，可靠性高，能够满足大功率液力机械传动性能检测试验要求。

关键词：大功率；液力偶合器；自动测量与控制目前随着我国大型装备制造业的高速发展，大功率(传递功率 1 000 kW以上)液力机械传动系统在石油机械、风电机械等多个领域得到了更广泛应用。大功率液力机械传动装置的性能检测尤为重要 ，但国内大功率液力机械传动装置的检测试验装置很少，且功能比较落后，操作复杂，数据采集不精确，自动化程度低，工作效率低，可靠性差。

液力偶合器、液力变矩器是油田钻机主传动装置，是关键传动部件，其质量直接影响整机的性能和质量。在进入整机装配前，要进行部件性能试验和跑合试验，检查各种性能指标是否达到预定的要求，以减少整机故障率。我公司研制的大功率液力机械传动试验台，利用LabVIEW软件实现对整个试验台的测试控制以及试验数据的处理，实现了液力偶合器、液力变矩器检测的自动化，该试验台操作方便，测试精度高，满足了大功率液力机械传动性能检测试验要求。

1 试验台功能该试验台适用于YOT750Z正车调速型偶合器、YOT750F反车调速型偶合器、YBLT900B型变矩器产品的性能试验，以及产品定型后的跑合试验等。

可完成液力偶合器的加载试验(不同导管开度下施加不同载荷 )，空载功率损失试验，额定效率测定试验，绘出偶合器不同导管开度的外特性曲线在内的曲线簇，原始特性曲线即泵轮转矩系数A 与转速比(涡轮转速与泵轮转速的比值)的关系曲线等。

根据液力偶合器的转速及传递功率要求，如果液力偶合器的传递功率不大于试验系统本身的驱动电机的功率，可通过变频器进行无级调速实现01 500 r／min范围内的任意调节；如果液力偶合器的传递功率大于试验系统本身的驱动电机的功率，在作者简介：鲁士军(1964一)，男，天津人，教授级高工，研究方向：工程机械研发，动态物理仿真试验系统及机电一体化设备研发。

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