基于AMEsim的电磁阀仿真与试验验证蔡伟;张硕;戴民强;杨志勇【摘要】电磁阀是液压系统中的控制元件，其阀芯运动特性直接影响液压系统的工作性能。
针对阀芯运动的动态特性建模是液压系统检测诊断领域的重要研究方向。
以液压系统典型的三位四通电磁换向阀为研究对象，开展了基于AMEsim软件的建模、仿真分析与试验验证研究。
在对电磁阀工作机理和各功能模块的分析基础上，利用AMEsim软件中的电磁库与液压库构建了电磁阀仿真模型，对影响电磁阀阀芯位移的主要因素进行分析，给出了不同的路损、弹簧刚度及液压油黏度对电磁阀阀芯位移影响的量化对比曲线；设计并搭建了液压试验台对模型进行验证。
试验结果显示，实测数据与仿真结果符合良好，最大相对误差为8．2％。
研究工作为电磁换向阀故障诊断和优化设计提供了模型与数据支持。
%Electromagnetic valveis hydraulic system actuator of controlled , the valve core movement directly af-fects the work performance of the system .In view of the dynamic characteristics of the movement of valve core mod-eling is an important research direction in hydraulic system detection diagnosis technology .Three position four-way electromagnetic were simulated and tested , based on AMEsim software modeling .Based on working mechanism and each function of electromagnetic valve , by using electro mechanical and hydraulic component design of AMEsim software , the model of the electromagnetic valve was built .loy using the established model , the factors affecting the electromagnetic valve spool displacement is analyzed , gives a different path loss situation , spring stiffness and hy-draulic oil electromagnetic valve impact of spool displacement quantifycurve were given .The hydraulic test bench was designed and built for test have been carried out to verify the simulation results .The simulation results consist-ent of test data , maximum relative error is 8.2%, the research work provide models and data support for electro-magnetic valve fault diagnosis and optimization design .【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(016)028【总页数】5页(P80-84)【关键词】电磁阀;建模与仿真;阀芯位移;动态特性【作者】蔡伟;张硕;戴民强;杨志勇【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TH137液压电磁阀是发射车等大型机电装备中电控系统和液压系统的联系中枢——既是前者的受控对象，也是后者的控制核心，应用十分广泛，其工作的稳定性和可靠性直接影响整个系统的运行与安全。
由于电磁阀的阀芯被密封在阀体内部，其运动状态无法直接观测，监测诊断比较困难[1]。
电磁阀的工作过程涉及多个物理场，故障率较高且成因复杂，对其实施检测诊断比较困难。
通过建立准确的仿真模型来对电磁阀的工作机理进行描述，能够为检测诊断提供理论依据[2]，文献[3—5]分别采用AMEsim软件对几种不同类型的电磁阀进行建模仿真，文献[6]通过对电磁阀动力学仿真，分析了不同参数对电磁阀换向的影响，文献[7]则通过仿真建模探讨了振动参数和结构参数对电磁阀动态特性的影响规律。
文献[8]中对电磁阀9种中位机能进行的测试，得到了不同中位机能对电磁阀综合特性的影响。
但现有文献对故障状态下阀芯运动的动态特性研究较少，尤其缺少针对参数变化对电磁阀阀芯运动影响的对比分析，难以直接指导电磁阀的故障诊断。
本文以电磁阀故障辨识为目标，通过对阀芯运动的机理分析，运用AMEsim软件建立电磁换向阀的模型[9]。
采用独立调参法，分析了三种典型参数变化对阀芯位移的影响，并进行了试验验证。
为了对三位四通电磁换向阀进行仿真，本文以AMEsim软件为平台，采用软件自带的电磁库(electro mechanical)和液压库(hydraulic component design)构建三位四通电磁换向阀模型，如图1所示。
图1中各部件名称及功能如表1所示。
利用图1所示模型，采用独立调参法，分别改变电磁阀线圈电压路损、弹簧刚度和油液黏度进行仿真。
给励磁线圈加载驱动电压时，有时会出现路损故障，导致驱动电压过低。
调整模型的输入电压分别为24 V、16 V、12 V，模拟路损故障，仿真结果如图2所示。
由图2可见，当输入电压从24 V下降到12 V时，阀芯的开口度明显减小。
这与电磁阀的运动机理是相符的：当励磁线圈回路电压降低时，磁通量减小，使电磁力变小。
而电磁力是阀芯的主要驱动力，电磁力的减小直接导致阀芯运动加速度减小，同时克服复位弹簧的力减小会导致阀芯位移变小。
调整模型中两侧弹簧刚度系数分别为8 000 N/m、6 000 N/m、4 000 N/m，模拟电磁换向阀弹簧老化故障。
仿真结果如图3所示。
由图3(a)可以看出，在输入信号强度相同时，弹簧刚度大的电磁阀阀芯位移小。
当弹簧的弹簧刚度强时阀芯位移适当，但当弹簧老化，弹簧刚度降低时会导致阀芯位移过大，或者产生较大的振动，对液压系统整体安全性产生影响。
由图3(b)可以看出，输入同样地正弦信号后，由于弹簧刚度的不同，响应的频率与输入的频率不同。
弹簧刚度大的换向阀频率变化较小能更好的响应输入信号。
而弹簧刚度较小的换向阀，频率变化较大。
调整模型中液压油黏度系数系数分别为0.6 N·s/m、0.7 N·s/m、0.8 N·s/m，模拟电磁换向阀油液变质。
仿真结果由图4所示。
通过图4可以看出，当黏度系数发生较大改变时，对阀芯位移的影响十分小。
由此可知，不同的黏度系数的液压油对电磁换向阀的阀芯运动影响较小。
3.1 液压试验台原理为了对上述模型进行验证，本文设计了专用的液压试验台，原理如图5所示。
其中4为液压泵驱动电机，电磁换向阀2控制液压缸的伸缩，调节溢流阀6控制液压缸的背压，通过流量传感器9、10、11、12与压力传感器13、14、15、16监测电磁换向阀2的进出油口流量与压力，17为阀芯位移传感器，用来检测阀芯的位移量。
3.2 试验验证通过改变电磁换向阀的输入电压的方式来模拟路损故障。
经滤波去噪后试验结果如图6所示。
将图6所示试验数据与图2所示仿真结果进行对比分析，此处仅列出标准差这一重要的统计指标，结果如表2所示。
由表2试验数据知，随着电压的减小，在相同的时间内阀芯的位移量有明显的减小。
对表2内试验与仿真数据对比，阀芯位移标准差相对误差最大值在励磁线圈阻抗为16 V时出现，为8.2%，说明模型可以预测路损情况下阀芯的动态响应。
更换不同刚度的弹簧后对电磁阀进行试验，经滤波去噪后试验结果如图7所示。
将图7所示实测数据与图3所示仿真结果进行对比分析，结果如表3所示。
由表3分析后可知，当弹簧刚度下降时，阀芯位移随着弹簧刚度的减小而增大。
图7(b)中3个峰值的横坐标同为：x=0.990 9；纵坐标由大至小分别为：y1=0.001 411、y2=0.001 123、y3=0.000 969 8。
由此可知，主频率并没有改变，改变的是主频率的能量。
对仿真图像图3(b)进行计算后，发现即使在仿真的理想情况下，频率的改变量也十分小。
所以说，当弹簧刚度下降时，对阀芯的位移有较显著的影响，但对频率响应的影响较小。
对表3内试验与仿真数据对比，阀芯位移标准差相对误差最大值在弹簧刚度为4 000 N/m时出现，为7.99%，说明模型可以预测不同弹簧刚度下阀芯的动态响应。
分别对液压试验台加入3种不同粘度的液压油，并在相同工况下进行试验，经滤波去噪后阀芯位移如图8所示。
将图8所示试验数据与图4所示仿真结果进行对比分析，结果如表4所示。
由图8与表4分析后可知，在相同的输入下，随着油液黏度的增加，阀芯位移减小。
但是，阀芯位移变化量较小。
由表4可知，15号航空液压油与10号航空液压油相比，阀芯位移标准差减小了约0.279%，可见不同的粘度系数的液压油对阀芯的位移影响较小。
阀芯位移标准差相对误差最大值在15号航空液压油时出现，为2.82%，说明模型可以预测不同液压油黏度系数下阀芯的动态响应。
本文以三位四通电磁换向阀为研究对象。
在AMEsim软件环境下，对电磁换向阀进行了建模，通过调参法模拟了不同条件对阀芯运动的影响，并通过试验验证了AMEsim模型。
仿真及试验结果说明利用AMEsim软件对液压系统进行建模仿真具有准确、方便的优点。
并得出以下结论：(1)电磁换向阀路损增加时，会使阀芯位移减小，甚至无法完成正常的油路通断。
(2)电磁换向阀弹簧老化后，刚度变小，电磁力不变，导致阀芯位移增大，产生更大的振动，降低液压系统的安全性。
弹簧老化后会导致响应频率变化，但是对频谱分布的影响很小。
(3)液压油的黏度对电磁换向阀阀芯的运动影响很小。
2 杜金凤. 螺纹插装电磁换向阀的设计与仿真研究.南京：南京理工大学，20133 苏明，陈伦军. 基于AMEsim的电磁高速开关阀动静态特性研究. 液压与气动，2010;(2)：68—724 席建敏，何忠波，李东伟，等. 基于AMEsim的超磁致伸缩高速响应电磁开关阀仿真. 制造业信息化，2010；(12)：55—585 苏龙龙，刘忠，聂松林，等. 一种新型插装式水压电磁换向阀的仿真研究. 机床与液压，2014;(3)：149—1566 李天伟，樊明波，王沛，等. 液压系统电磁换向阀动力学特性仿真. 舰船科学技术，2012;34(6)：50—527 胥景，杨忠炯，周立强，等. TBM掘进机电磁换向阀动态特性仿真研究. 计算机仿真，2015;32(1)：248—2538 郭彦青，付永领，祁晓野，等. 电磁换向阀综合性能试验台研究. 液压与气动，2014;(06)：29—339 梁全，苏奇莹. 液压系统AMEsim计算机仿真指南.北京：机械工业出版社，2014【相关文献】1 蔡伟. 液压系统非介入式监测技术. 北京：国防工业出版社，2014。
