下载文档原格式
先导式溢流阀建模与仿真的探讨0 引言在大多數液压系统中，溢流阀是一个不可缺少的压力控制元件，其通常的作用是维持系统压力的恒定，由于这种阀的动态性能对整个系统的性能有直接的影响，所以近年来国内外对溢流阀的静、动态特性研究的比较普遍[1-2]。
本文采用的是基于功率键合图的基本方法，以Y-25B型先导式溢流阀为例，建立先导式溢流阀的键合图模型，在20-sim软件上进行动态特性分析，研究溢流阀内部的结构参数及外部参数对其动态特性的影响，对提高溢流阀的性能甚至整个液压系统的可靠性有重要意义。
1 键合图法的基本原理键合图理论是20世纪50年代末首先由美国Paynter教授提出的[3]。
几十年来，以Kamopp DC和Rosenberg RC为代表的一批学者在此领域做了大量的研究工作[4]。
键合图是一种功率流图，它表示一个系统的输入功率在系统中的流向及在系统中各元上的作用情况，其实质是表示了系统中的能量变化、转换的形式及其相互的逻辑关系。
包含4种广义变量：势变量（）、流变量（）、变位变量（）及动量变量（）。
其中势、流为功率变量，变位变量及动量变量为能量变量。
在液压系统中，势变量和流变量分别对应于压力和流量。
功率键合图是彼此间用功率键连接起来的键图元的集合。
功率键是一个带有半箭头的有向短线段，半箭头的指向即表示键上功率的流向，见图1。
各键上的功率可视为系统总功率的分量，每根键上分别标有表示该功率的两个分量，如液压力与流量，功率的大小等于与的乘积。
图1 功率键示意图Fig.1 Power Bond schematic diagram2 20-sim 的功能和特点2.1 软件概述20-sim软件被广泛用于航空航天、汽车、制造、工程、化学等领域的设计、建模和仿真的研究中。
其最大特点是可以实现基于键合图的自动建模与仿真。
除此之外，还支持方块图、图标、方程形式的建模。
2.2 建模方式20-sim拥有一个门类齐全的模型库，提供了大量预先定义好的模型，分为键合图、图标、信号和系统四个部分。
基于Simulink模型的先导式溢流阀动态特性仿真方法乔丰立;王艳莉;焦嘉宁【摘要】以三节同心溢流阀为例研究先导式溢流阀动态特性的仿真方法,首先以反推(用p求q)法求解溢流阀静态特性方程组,计算出溢流阀工作点结构参数,然后以溢流阀动态特性方程组构建了Simulink模型.通过仿真得到了以流量为阶跃输入信号、以响应压力为输出信号的理论曲线.仿真结果表明溢流阀动态响应特性的决定因素不是阀芯和弹簧构成的二阶环节,而是主阀上、下腔的液容容积和固定阻尼器直径.上腔容积主要决定响应曲线的超调量,下腔容积主要决定响应曲线的时间;在仅减小固定阻尼器直径其它参数不变的情况下,超调量Mp降低和调整时间ts延长.实验结果证明,结构参数模型法仿真曲线和实验结果曲线基本一致,为液压系统性能研究提供了可行方法.【期刊名称】《石家庄铁道大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(029)003【总页数】6页(P87-92)【关键词】先导式溢流阀;动态特性仿真;结构参数模型法【作者】乔丰立;王艳莉;焦嘉宁【作者单位】石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043;石家庄铁道大学机械工程学院,河北石家庄050043【正文语种】中文【中图分类】TH137在液压控制系统中，先导式溢流阀作为压力控制元件，其动态特性对液压系统性能[1-2]有主要影响。
研究溢流阀动态特性常用的方法有：传递函数法[3]、模拟仿真法[4]、实验研究法和数字仿真法[5-6]。
传递函数法将动态特性方程组线性化和拉氏变换，阀结构参数经过运算综合化成为传递函数的系数，参数调整不便，同时由于溢流阀工作范围大、本质非线性，该法计算结果会出现很大误差；模拟仿真法是采用电子电路进行动态特性的模拟，该法在早期研究中有应用[4]；实验研究法可以直观地、真实地了解溢流阀动态特性，但无法在制造出产品之前使用；数字仿真法是通过计算机软件对动态特性方程进行计算得到理论结果。
基于MATLAB的水压溢流阀动态特性仿真
刘轶;贺小峰
【期刊名称】《机械工程与自动化》
【年(卷),期】2007(000)005
【摘要】分析并建立了先导式水压溢流阀动态特性的数学模型,并在某个稳定工作点对微分方程进行了线性化处理和拉氏变换.采用MATLAB中的Simulink软件对数学模型的方框图进行仿真,得出主阀阻尼孔直径d1、主阀进口受控容积V0、导阀入口容积V1、主阀芯上腔容积V2的大小均对阀的动态性能有较大影响.分析结果对先导式溢流阀的优化设计有一定的指导意义.
【总页数】4页(P29-31,34)
【作者】刘轶;贺小峰
【作者单位】华中科技大学,机械科学与工程学院,湖北,武汉,430074;华中科技大学,机械科学与工程学院,湖北,武汉,430074
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.52+1
【相关文献】
1.基于Simulink模型的先导式溢流阀动态特性仿真方法 [J], 乔丰立;王艳莉;焦嘉宁
2.基于MATLAB的先导式溢流阀动态特性分析 [J], 付娟娟;张磊;刘小宁
3.基于AMEsim的新型结构先导式水压溢流阀动态特性分析 [J], 潘广香;夏秋
4.先导式水压溢流阀静动态特性的仿真研究 [J], 韩新苗;聂松林;葛卫;刘谦
5.先导式水压溢流阀动态特性的仿真 [J], 贺小峰;何海洋;刘银水;李壮云;王学兵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
先导式纯水溢流阀主阀的动态特性仿真摘要：纯水液压技术具有安全、环保等优势，在煤矿、食品、造纸等领域有着良好的发展前景。
本文建立了先导式纯水溢流阀的数学模型，经相关参数计算在Simulink中构建了主阀的Simulink仿真模块，选取入口阻尼孔径、弹簧刚度、阀芯质量和阻尼这四个参数，通过Matlab/Simulink进行仿真，得到不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线。
仿真结果表明：阻尼孔直径、弹簧刚度对主阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
关键词：先导式纯水溢流阀；主阀；动态特性；仿真前言纯水液压技术是基于环境友好和可持续发展的新技术，是国内外液压界研究热点之一，在煤矿、食品、造纸等领域有着良好的发展前景。
纯水溢流阀是纯水液压系统的关键元件之一，由于该类阀以纯水为介质，带来了富有挑战性的新问题。
本文通过Matlab/Simulink仿真，得到不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线，表明了阀入口压力随参数变化的各种情况，研究了参数变化对工作稳定性和可靠性等的影响。
本文的研究结果对于研制先导式纯水溢流阀、保障系统及设备的安全性具有一定的参考价值。
1 建模及传递函数方块图本文按照先导阀和主阀仿真模块分开的方式进行仿真。
先导式纯水溢流阀的结构原理如图1所示。
3 动态特性的Matlab/Simulink仿真及分析3.1 仿真参数设置建立导阀和主阀的Simulink仿真模块后，打开Simulation(仿真分析)菜单，在结构菜单中选择Configuration Parameters选项来设置仿真参数进行仿真。
本文的仿真参数设置如下：仿真时间的设置。
State Time(开始时间):0.0，Stop Time(停止时间):30。
解算器类别和类型的选择。
Type(类型)：选择Variable-step(变步长)，Solver(解算器)：选择ode45(四阶、五阶Runge-Kutta算法)。
仿真步长的指定。
基于MATLAB的先导式溢流阀动态特性分析
付娟娟;张磊;刘小宁
【摘要】利用力平衡方程和流量连续方程建立先导式溢流阀的动态数学模型,应用MATLAB软件对其动态特性进行仿真分析,为先导式溢流阀的性能评价和参数优化提供依据.
【期刊名称】《武汉工程职业技术学院学报》
【年(卷),期】2012(024)001
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】先导式溢流阀;动态特性;数学模型;仿真
【作者】付娟娟;张磊;刘小宁
【作者单位】武汉软件工程职业学院机械制造工程系湖北武汉 430205;武汉软件工程职业学院机械制造工程系湖北武汉 430205;武汉软件工程职业学院机械制造工程系湖北武汉 430205
【正文语种】中文
【中图分类】TH134
溢流阀是液压系统中重要的压力控制元件，其主要作用是控制液压系统中的压力恒定。
溢流阀在不同的应用场合有着不同的用途，能够实现液压系统的稳压、调压或限压。
此外，溢流阀还具有卸荷、远程调压、背压等作用［1－2］。
溢流阀按结构形式可分为直动式溢流阀和先导式溢流阀两种。
与直动式溢流阀相比，先导式溢
流阀具有压力稳定、灵敏性好、调压方便和调压精度高等优点，被广泛应用于中高压、大流量液压系统中。
由于先导式溢流阀在工作时受力较多，干扰因素较为复杂，其动态特性的直接分析较为困难，一般需要通过实验获得。
因此，怎样确切地描述各个参数对先导式溢流阀的稳定性和调压精度的影响是值得研究的课题。
文中建立了先导式溢流阀的动态数学模型，使用MATLAB软件和SIMULINK软件包对其动态特性进行分析，通过仿真分析了各相关参数对先导式溢流阀动态特性的影响，从而为先导式溢流阀的性能评价与结构参数优化设计提供依据。
1 建立模型
1.1 工作原理
DB型二级同心先导式溢流阀的结构原理如图1所示。
该阀上部是先导阀，下部为主阀。
在先导阀与主阀之间有密闭的稳压油腔a和平
衡活塞腔b。
当进油口P的压力小于提动头4的弹簧调定压力时，先导阀关闭，
节流孔1中无油液流动，稳压油腔a中的压力等于进油口P的压力，平衡活塞8
上下无压差，溢流阀处于关闭状态。
当进油口P的压力大于提动头4的弹簧调定
压力时，进油口P的油液可经节流孔1、稳压油腔a，推开提动头4，从泄油口L
和回油DT流回油箱。
此时，由于节流孔1中有油液流过，所以，进油口P中的
压力大于平衡活塞油腔b中的弹簧调定压力，使得平衡活塞8的上下产生了压差。
当压差大于平衡弹簧7在平衡活塞8上形成的压力时，平衡活塞8上移，溢流阀
的进、出油口被打开溢流，进油口P的压力随之降低。
当压力下降到一定值时，
平衡活塞8处于平衡状态，进油口压力P等于溢流阀的调定压力。
图1 先导式溢流阀工作原理图
1.2 动态特性
先导式溢流阀的动态特性是指阀在压力瞬时突变情况下表现出的性能，常用压力和
时间两者的关系，即时间特性来描述。
先导式溢流阀主要动态性能指标包括3：压力超调量、响应时间、过渡过程时间、升压时间、卸荷时间。
其动态特性指标是评定溢流阀性能好坏的重要标准。
1.2.1 动态数学模型
先导式溢流阀的动态数学模型是在先导阀和主阀力学受力平衡和流量连续性方程两个基本原理基础上建立的。
图1所示的工作原理图可用图2所示的物理模型表示，综合考虑各参数影响，建立如下动态数学模型：
图2 先导式溢流阀物理模型
①阀芯受力平衡方程
作用在先导阀芯上的液压力、质量惯性力、粘性摩擦力、弹簧力、稳态液动力和瞬态液动力的受力平衡方程：
式中，p1为先导阀进口压力；A3为先导阀阀芯面积；m1为先导阀阀芯当量质量；x为先导阀阀芯位移；fx为先导阀阀芯运动阻尼系数；K1为先导阀调压弹簧刚度；x0为先导阀调压弹簧预压缩量；Kx为先导阀阀口稳态液动力等效当量弹簧刚度；KLx为先导阀阀口瞬态液动力粘性阻尼系数。
作用在主阀芯上的液压力、主阀芯重力、质量惯性力、粘性摩擦力、弹簧力、稳态液动力和瞬态液动力的受力平衡方程：
式中，p为液压油进口压力；p2为主阀芯上腔压力；A1为主阀芯下腔有效作用面积；A2为主阀芯上腔有效作用面积；m为主阀芯质量；m2为主阀芯当量质量；
y为主阀芯位移；fy为主阀阀芯运动阻尼系数；K2为主阀弹簧刚度；y0为主阀调压弹簧预压缩量；Ky为主阀阀口稳态液动力等效当量弹簧刚度；KLy为主阀阀口
瞬态液动力粘性阻尼系数。
②阀口压力流量连续性方程先导阀阀口流量方程：
式中，qx为流经先导阀阀口流量；Cd1为先导阀阀口流量系数；α为先导阀阀芯锥角；Kqx为先导阀阀口流量增益；Kcx为先导阀阀口流量压力系数。
阻尼孔的流量方程：
式中，q1为流经R1的流量；q2为流经R2的流量；GR1为阻尼孔R1的液导；GR2为阻尼孔R2的液导。
主阀阀口流量方程：
式中，qy为主阀溢流量；Cd2为主阀阀口流量系数；Kqy为主阀阀口流量增益；Kcy为主阀阀口流量压力系数；β为主阀阀芯锥角。
先导阀流量连续性方程：
式中，V1为先导阀前腔容积；E为油液弹性模量。
主阀进口腔流量连续性方程：
式中，q为进入溢流阀流量；V2为主阀进口容积。
主阀上腔流量连续性方程：
式中，V3为主阀b腔容积。
③方程的线性变化与拉氏变换
将以上动态方程在某一稳态工作压力下进行线性化，并取拉氏变换：
对式（1）进行拉氏变换得：
其中：Ksx＝Kxp1s
对式（2）进行拉氏变换得：
分别对式（4）（6）（7）（8）进行拉氏变换得：
④传递函数方框图
根据第③步拉氏变换得到的方程联立可得出先导阀和主阀的控制方块图，如图3所示。
由图3可知，先导阀控制回路由一个比例环节、一个二阶振荡环节、一个一阶延迟环节、一个惯性环节组成。
主阀控制回路由一个惯性环节、一个比例环节、一个一阶延迟环节、一个二阶振荡环节组成。
2 仿真分析
利用图3，通过对控制图中的各参数赋值，并利用MATLAB软件中的SIMULINK 对其进行仿真，得到先导式溢流阀的压力时间曲线，如图4所示。
图4中横坐标为时间t，单位ms，纵坐标为压力p，单位MPa。
由图4的仿真结果可知，在对各相关参数赋值后溢流阀的动态特性如下：
①动态超调量过大，其中压力超调量为0.9MPa，超调率为45%；
②响应时间为0.07s，溢流阀响应较快；过渡时间为0.63s，过渡时间较长；
③振荡次数较多，振荡幅度较大。
2.1 参数优化
由分析结果可知，该阀的超调量过大，过渡时间较长，动态特性不符合工作要求，
需对该阀的一些结构参数进行优化，以减小超调量和过渡时间。
1）增大阻尼孔R1的直径
在图4中，阻尼孔R1较小时，阀的响应时间较短，但振荡幅度、超调量较大，过渡时间较长，且阻尼孔较小时容易阻塞。
从图5中可知增大阻尼孔R1的直径可以减小压力超调量、振荡幅度、振荡次数，缩短过渡时间，获得良好的压力流量特性，但增加了阀的响应时间。
2）增大先导阀前腔容积V1
从图6中可知，增大先导阀前腔容积V1可以减少压力超调量、振荡幅度、振荡次数以及缩短过渡时间，获得良好的压力流量特性，但使阀的响应时间增加。
图6 增大先导阀前腔容积后的仿真图
3）增大主阀阀芯直径
由图7可知，适当增大主阀芯下端直径，可以降低压力超调量，提高阀的灵敏度，保证阀的压力稳定，但如果主阀芯下端直径过大，将导致增加阀的动态过渡时间。
图7 增大主阀芯直径后的仿真图
同理，改变先导阀锥角α、主阀锥角β、主阀芯进口容积V2，主阀上腔容积V3、阻尼孔R2的直径、油液弹性模量E、粘性阻尼系数、阀芯质量等均能改变先导式溢流阀动态特性。
3 结论
文中建立了综合参数下先导式溢流阀的动态数学模型，通过对数学模型进行仿真分析了各主要参数对先导式溢流阀动态特征的影响。
基于建立的数学模型，还可以综合分析多参数同时对先导式溢流阀动态特征的影响。
参考文献
【相关文献】
［1］蒲昌顺，黄星德，谭宗柒.基于Matlab／Simulink的先导式溢流阀研究［J］.机电信息，2010，10（6）：24－25.
［2］冯静，李卫民，甘元强.基于AMESim的溢流阀动态特性研究［J］.机械工程师，2009，（9）：41－43.
［3］李壮云.液压元件与系统［M］.北京：机械工业出版社，2005.。
