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基于AMESim的气动系统建模与仿真技术研究(4)

来源:网络收集 时间:2019-04-09 下载这篇文档 手机版
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仿真结果显示气源压力的变化使阀口逐渐打开,但是当阀芯达到设定的最大位移处时,尽管气源压力不断变大,阀口的节流效果不再发生改变,这时出口压力保持恒定不变。1 秒后当负载可变节流孔发生变化时,对出口压力产生节流效果,使出口压力发生改变,随着可变节流孔开口面积逐渐变大,调压阀出口压力稳定在 5 bar 左右。

阻尼孔面积由1.5 mm2代替1.0 mm2时,出口压力的变化曲线如图所示。

从仿真结果可以看出,改变阻尼孔面积后,调压阀的调定压力变得不够稳定。通过上述过程可以看出,使用 AMESim 仿真,可以便捷地修改元件参数,比较观察不同参数对模型性能的影响,根据实际阀体的具体参数进行参数的设定,从而得出最优的结构参数,从而使系统的模型更加精确。

2.4 方向控制阀的数学模型

采用 AMEset 来开发建立更具简洁实用性的方向控制阀模型,以一种三位四通方向控制阀为例,来说明其建模的一般过程。对方向控制阀的数学模型的推导是建立在上面所叙述的流量、温度和压力等基本方程的基础之上。

由牛顿第二定律可以得出阀芯的平衡方程式:

式中 Fi——阀芯驱动力(N) Bf——粘性摩擦系数(N/m/s) K——弹性刚度系数(N/mm) Ft——任意负载力(N)

在方向控制阀中,阀芯的形式一般都是以圆柱形为主,有的在阀芯上开有坡度如三位五通阀,其目的是增加阀的密封性,但它对阀口处的流量系数有一定影响,而在计算环形节流口的过流面积时没有大的影响。

式中 d——方向阀芯的直径(mm) dr——方向阀阀芯杆直径(mm)

A即为方向控制阀的节流口的过流面积,其实就是开口与阀芯周长的乘积,但是如果这个开口较大时,阀杆也会对方向阀的节流口的面积产生影响,此时的节流口的面积公式如下所示。(公式有误?)

式中 P2——上游压力(bar) P1——下游压力(bar) T0——上游温度(K)

流量系数一定的时候发出口的热流方程如公式下,同时可以求得收缩喷口处气体的音速流公式。

对于温度和压力参数在模型中是输入变量,因此也就没有推导其方程式。流量系数通常都不是一个定值,而是和上下游压力之比以及阀口开度大小存在相互关系,因此在建模时,把流量系数设为上下游压力比和阀芯位移的函数,在上述方程式被确定以后即可以进行编程建模。图示为所设计的阀口外部变量的情况,箭头方向表示此变量的正方向(为正值)。对这样一个气动元件建模过程中需要反复设置参数(非变量参数)。

方向控制阀模型的程序设计步骤见附录,其中主要调用了三类函数即:计算阀芯运动情况的动力学函数、计算方向阀环形节流口面积的计算函数和计算阀口流量的流量函数。此外对于上述方向控制阀模型的建立也可以利用频率特性分析的方法,把阀芯的动力学特性用一个二阶的振荡环节来进行描述,这样就形成了一个伺服阀模型。

模型建立完成之后,对下图所描述的由此方向控制阀模型组成的气动系统进行仿真。设置参数为:温度压力源所提供的绝对压力为 7 bar,温度为 293.15 K,仿真时间为 10 秒。仿真结果如下。

在上述模型参数设置过程中,阀芯相对于零位移时的重叠参数(underlap corresponding to zero displacement)是及其重要的,通常的缺省值是零,在物理系统仿真中,通过调节这个参数可以模拟阀开口为零重叠、正重叠和负重叠等情况。

当设置阀芯节流孔子模型的重叠参数为正 1 mm 时,阀芯在中位产生一个泄漏;当设置为负 1 mm 时,就产生了一个死区效果,上述结果都是认为阀芯处在一个理想的位置,事实上,在阀芯和阀套之间存在间隙和圆形边缘,这些都会引起泄漏情况,如果需要阀的模型更精确的话,可以定义一个更为具体的阀芯子模型。

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