一种射流管电液伺服阀的仿真建模方法与流程

本发明涉及一种射流管电液伺服阀的仿真建模方法，属于机械液压仿真建模领域。

背景技术：

液压伺服控制技术是一门综合性强、多学科交叉的科学技术，它不但是液压技术的一个重要分支，而且也是控制技术领域的一个重要组成部分。电液伺服阀作为电液伺服控制系统的核心元件，是连接电气部分与液压部分的重要桥梁。它是一种将微弱电控信号按比例转换成很大的液压功率，能够输出相应流量及压力的液压元件。而在流量控制的两级伺服阀中，射流管伺服阀与喷嘴挡板伺服阀是使用的最为广泛的，射流管伺服阀与喷嘴挡板伺服阀最大的差别在于喷嘴挡板伺服阀是通过改变喷嘴与挡板之间的距离，在两喷嘴前腔中形成压力差来提供阀芯的驱动力，而射流管伺服阀是将射流喷嘴喷出的油液，通过接收器分配两接收孔的流量来获得压强差从而驱动阀芯运动的。因射流喷嘴较大，油液污染引起的危害小，且滑阀驱动力大，进一步提高了抗污染能力；射流式液压放大器的压力效率及容积效率高，具有较高的灵敏度及分辨率，特别是其在低压工作时仍能具有较高的性能。另外，当射流喷被杂物完全堵死时，两接收孔均无流量输入，反馈弹簧的弯曲变形力会将阀芯拉回到零位上，即具有失效对中能力，不会发生所谓的“满舵”现象，因此在航空、航天、船舶、电力、化工、冶金、工程机械等领域中具有非常广泛的应用。比如在航空发动机中对燃气温度进行控制、采用电液伺服阀及作动油缸组成泵斜盘位置调节以实现对发动机流量的控制以及对飞机、舰船的动力控制等。但是国外很少公布其相关研究，且对中国实行技术封锁。为此，分析国外射流管电液伺服阀研究进展，着重研究射流管电液伺服阀形成过程、基本原理、结构，研究国外专利和在航空飞行器中的应用情况，对于掌握射流管伺服阀基础理论和关键技术，以及研制新型射流管伺服阀具有重要意义。

由于射流管伺服阀的射流放大器流场十分复杂，对其性能不易进行理论计算和预计。目前的研究成果往往都集中于对阀的部分材料进行更换，对其加工工艺进行改进以及对阀的测试方法进行研究上，始终没有给出射流管伺服阀完整准确的数学模型，由于缺乏准确的仿真设计平台，对射流管伺服阀的研究较为困难且耗费较大。随着计算机软硬件技术的迅猛发展，产生了amesim建模仿真技术，通过采用高效率、高精确度的建模方法，对实际模型进行逼真的建模仿真，相当于利用计算机进行实验，有助于射流管伺服阀的设计与改进，能够提高效率并大大降低成本。

技术实现要素：

本发明提供一种高精度的射流管电液伺服阀的仿真建模方法，与matlab建模仿真相比，amesim仿真更能反映阀的结构及工作原理，另外，由于其强大的模型库使建模更加简单方便，为研究射流管电液伺服阀提供新的思路。具体是在了解射流管阀的结构及工作原理的基础上，对阀的各部分进行数学建模，最终在amesim软件中进行建模仿真。在此基础上，分析了滑阀结构不同的三种射流管阀的流量特性，并仿真模拟了阀的泄漏情况。

本发明中射流管电液电液伺服阀的工作原理如下：

它的组成总体可以分为四大部分:力矩马达磁路、衔铁-反馈杆组件、射流放大器、滑阀组件，各组件通过力反馈维持平衡关系。射流管电液伺服阀一共有两种工作状态，一种是喷嘴位于接受器中间，另一种是喷嘴发生偏移。当射流管阀没有输入电流时，在力矩马达处就不会产生力矩，喷嘴就位于接受器的中间，那么流入左右两侧接受器的流量一样，也就不会产生压强，阀芯就不会产生位移，也就没有流量产生；当射流管阀有输入电流时，衔铁会发生偏转，带动射流管也发生转动，此时反馈杆就会发生变形。因为喷嘴发生了偏移，那么流入左右两侧接受器的流量就会不同，在阀芯左右两腔就会产生一定的压力差，那么阀芯就会在压差的作用下与反馈杆向一侧移动，反馈杆继续变形，当反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡时，喷嘴又回到中间位置。这样阀芯的位移与输入电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于输入电流了。因此，通过阀的工作原理及结构，我们采用amesim软件对阀进行仿真建模，并对阀的特性进行分析。

为实现上述的目的，本发明的技术方案如下：

一种射流管电液伺服阀的仿真建模方法，所述的射流管电液伺服阀包括力矩马达磁路、衔铁-反馈杆组件、射流放大器、滑阀组件，各组件通过力反馈维持平衡关系。仿真建模方法包括以下步骤：

第一步，根据力矩马达磁路的具体结构参数与电磁特性参数，在amesim中搭建力矩马达磁路模型。

由于衔铁、导磁体、极靴等磁性材料的磁阻相对气隙的磁阻很小，在amesim中忽略上述磁性材料的电磁模型，不考虑磁性材料的磁滞效应、涡流损耗等因素的影响。在模型中，使用一个电磁线圈等效替代实际结构中的两个控制线圈，通过电流源模块为电磁线圈模块提供输入电流。

对力矩马达磁路(见附图2)进行分析：从结构上看，两控制线圈套在衔铁之上，衔铁两端与上下导磁体形成四个工作气隙。衔铁下端是弹簧管，初始位置时，弹簧管支撑衔铁使其正好处于四个气隙的中间，衔铁以弹簧管为支撑轴可以在水平面内顺时针或逆时针旋转，四个气隙的大小限制衔铁的旋转角度。从磁路上看，左右永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场，在没有输入电流时，磁场只由永磁铁提供，因此四个气隙中的磁通是大小相等的，即衔铁两端所受到的电磁力完全相同，衔铁并不发生偏转；一旦线圈中有输入电流通过便会产生控制磁通，衔铁为控制磁通提供磁路，从而打破四个气隙中磁通的平衡，使衔铁偏转。如附图2中所示为输入电流ic<0的情况，输入电流在衔铁上产生从左到右的控制磁通，在气隙①、④中两磁通相加而在气隙②、③中两磁通相减，磁通越大则产生的电磁吸力越大，因此衔铁受到顺时针方向的电磁力矩从而顺时针转动。当弹簧管变形产生的反力矩与力矩马达输出力矩相平衡时，衔铁停止转动。如果输入电流反向，即ic>0，则力矩马达输出力矩也反向，衔铁向反方向转动，力矩马达输出力矩的大小与输入电流的大小成比例，衔铁的转角也与输入电流成比例。

所述的力矩马达磁路中输入电流与输出力矩的关系简化后的关系式为：

td＝ktic+kmθ(1)

式中，td为力矩马达磁路的输出力矩；kt为力矩马达的力矩系数；km为力矩马达的弹簧刚度；ic为输入电流；θ为衔铁的转角；nc为控制线圈匝数，фg为零位固定磁通，a为磁极面积中心到衔铁转动中心的距离，g为衔铁中位气隙长度；rg为零位气隙磁阻。

第二步，衔铁-反馈杆组件中的质心位置与旋转中心重合，转动过程中质心位置保持不变。当有输入电流时，衔铁在力矩马达的作用下发生转动。对衔铁-反馈杆组件进行分析，力矩马达输出力矩是一个主动力矩，而衔铁组件产生的力矩是一个被动力矩，稳态时两力矩相平衡。通过分析，我们得到在力矩马达工作时，衔铁-反馈杆组件的运动方程为：

tb＝kf·(l·θ+xv)·l(5)

fv＝kf·(l·θ+xv)，xj＝l·θ(6)

式中，t为时间；ja为偏转板衔铁组件转动惯量；ba为偏转板衔铁组件粘性阻尼系数；tb为衔铁-反馈杆组件产生的负载力矩；ka为弹簧管刚度；kf为反馈杆刚度；l为偏转板旋转中心到反馈杆小球中心的距离；xv为阀芯的位移；fv为衔铁-反馈杆组件对阀芯的作用力；xj为射流喷嘴端面的位移。

第三步，对射流放大器进行分析(见附图4)，射流放大器由喷嘴和接受器组成，它是射流管伺服阀的先导级。其主要功能是将喷嘴的偏转位移信号转换为液压信号，进而来驱动阀芯运动。喷嘴喷出的高压油液通过射流管喷嘴时其压力能转化为动能，油液高速喷出，一部分经回油通道流出，另一部分则流入两接受器内，其中进入接受器内部的油液在冲击作用的影响下会有一部分流出另一部分经过细长管道进入阀芯左右两腔，由于受到阀芯的阻挡，油液的动能瞬间转化为阀芯两端的压力能。得到射流管放大器的流量—压力方程为：

ql＝kqrxj-kcrpl(7)

式中，kqr为射流管放大器的流量增益；kcr为射流管放大器的流量—压力系数；ql为驱动滑阀的阀芯移动的流量；pl为两侧接受孔压差。

第四步，对滑阀组件进行分析，该阀是典型的三位四通阀(见附图5)，阀芯左右两腔经细长流道与接受器的两接受器连接。工作时忽略滑阀的内外泄露摩擦力和死区的影响。滑阀阀芯的运动方程为：

式中，av为滑阀阀芯的端面面积；mv为阀芯质量；bv为阀芯运动粘性系数。

阀芯的流量方程为：

第五步，搭建完整的阀的amesim仿真建模模型

根据公式(1)、(2)和(3)，得到输入电流、衔铁的转角与力矩马达输出力矩的关系，依据这种关系，在amesim中搭建力矩马达磁路的仿真模型，并不断调整输入电流等参数，使输出力矩与输入电流符合一定的比例关系；再根据公式(4)、(5)和(6)，得到当衔铁运动时，反馈杆与阀芯之间的位移变化关系以及力矩关系，在amesim中依据公式搭建衔铁-反馈杆组件的仿真模型。然后再根据公式(7)，搭建射流放大器的仿真模型，并不断调整最大流量系数以及临界流量等参数，使输出流量与射流喷嘴端面的位移存在一定的比例关系；最后根据公式(8)和(9)，搭建滑阀组件的amesim仿真模型。最终，将这四部分组件集成形成完整的阀的amesim仿真建模模型。

第六步，对第五步得到仿真模型中的滑阀组件进行设计：

所述的滑阀组件包括阀套、阀芯、负载、a口、b口、进油口p以及回油口t(见附图5)。

6.1)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀1：阀套上的型孔为6-φ4mm，阀芯位移与型孔流通面积的关系同样在matlab中采用插值的方式实现。设计要同时满足以下要求：额定供油压力ps为2mpa，额定流量2l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。根据设计内容进行仿真模拟，不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。

6.2)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀2：阀套上的型孔为6个4*0.6mm的矩形窗口。设计同时满足以下要求：额定供油压力ps为2mpa，额定流量20l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。根据设计内容进行仿真模拟，不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。

6.3)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀3：阀套上的型孔为6个5*0.6mm的矩形窗口。设计同时满足以下要求：额定供油压力ps为10mpa，额定流量70l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。根据设计内容进行仿真模拟，不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。

第七步，对阀的滑阀组件的泄漏进行仿真模拟，包括内泄漏、外泄漏：

内泄漏采用amesim内部的模块进行模拟，设置滑阀组件中的间隙值仿真内泄漏，间隙值越大代表内泄漏越严重，其中间隙值为进油腔p与回油腔t之间的间隙。所述的内泄漏是指液压元件内部有液压油从高压侧泄漏到低压侧。如从换向阀内压力通道向回油通道的泄漏。内泄漏会使系统压力调不高，造成执行机构速度不稳定，降低元件的容积效率，影响液压系统的性能和效率，可能使工程装备产生爬行、出力不足、保压性能差等问题，影响装备的平稳性、可靠性和使用寿命。所以对阀进行内泄漏故障仿真模拟，这里采用缝隙模块来模拟阀的内泄漏。

外泄漏采用节流嘴进行模拟，不同的节流嘴直径代表不同的泄漏程度，直径越大，代表泄漏越严重。其中节流嘴直径代表进油腔p与外部环境之间的间隙。所述的外泄漏是指液压油从系统泄漏到环境中，可等效于不同类型孔口的出流量，发生在液压系统的液压管路、液压阀、液压缸、液压泵和液压马达的外部。如齿轮泵的端面泄漏；液压油管的渗透等。外泄漏不仅影响系统功能的正常发挥，而且造成能量、油液浪费，污染环境，严重会引发火灾，危及生命安全。所以对阀进行外泄漏故障仿真模拟，这里采用节流嘴来仿真外泄漏。

与现有技术相比，本发明采用的有益效果为：

本发明在分析各个部件的原理及结构的基础上，最终在amesim软件中实现了对射流管电液伺服阀的仿真建模，amesim液压系统仿真软件采用图形化建模，简化了建模过程，并采用智能求解器提高了仿真精度，实现不同领域模块之间的直接物理连接，通过仿真可以发现输入电流与阀芯位移呈正比关系，与输出流量呈现线性关系。其次，通过对参数进行调整，实现了阀1、阀2以及阀3的仿真建模，且仿真结果符合第六步中提到的各自的技术要求。此外，通过对阀进行泄漏故障注入，可以发现不同的泄漏程度对阀的影响，对阀的故障诊断研究提供了理论基础。

附图说明

图1为射流管电液伺服阀的工作原理图；

图2为力矩马达工作原理图；

图3为射流管电液伺服阀反馈杆变形图；其中l为转动中心到弹簧管末端的距离，b为弹簧管末端到反馈杆末端的距离，a为磁极面积中心到衔铁转动中心的距离。

图4为射流放大器原理图；其中ps为供油压力。

图5为滑阀组件图；

图6为射流管式电液伺服阀整体amesim仿真模型图；

图7为当电流为斜坡信号时，阀1的a口、b口流量曲线图；

图8为当电流为斜坡信号时，阀2的a口、b口流量曲线图；

图9为当电流为斜坡信号时，阀3的a口、b口流量曲线图；

图10为在输入恒定的额定电流时，并且泄漏缝隙分别为0.1、0.2、0.3、0.4和0.5时，泄漏腔流量变化图；

图11为在输入恒定的额定电流时，并且节流嘴的等效孔径分别为0.1、0.3、0.5、0.7和0.9时，泄漏腔流量变化图；

图中：1线圈；2衔铁；3喷嘴；4阀芯；5射流管；6接受器；7反馈杆；8滤器；9上导磁体；10下导磁体；11控制磁通；12固定磁通；13弹簧管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

射流管电液伺服阀的工作原理图如附图1所示：当线圈1中没有输入电流时，衔铁2由弹簧管13支承在上、下导磁体9、11的中间位置，射流管5以及喷嘴3也处于中间位置，滑阀阀芯在反馈杆7的作用下处于中位，阀无液压输出；当线圈中有输入电流时，衔铁2会发生偏转，带动射流管5以及喷嘴3也发生转动，此时反馈杆7就会发生变形。因为喷嘴3发生了偏移，那么流入左右两侧接受器的流量就会不同，在阀芯4左右两腔就会产生一定的压力差，那么阀芯4就会在压差的作用下与反馈杆7向一侧移动，反馈杆7继续变形，当反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡时，喷嘴3又回到中间位置。这样阀芯4的位移与输入电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于输入电流了。其中滤器8的作用是过滤油液中的杂质，使喷嘴3不易堵塞。

第一步，从结构上看，两控制线圈套在衔铁2之上，衔铁2两端与上下导磁体9、11形成四个工作气隙。衔铁2下端是弹簧管13，初始位置时，弹簧管13支撑衔铁2使其正好处于四个气隙的中间，衔铁2以弹簧管13为支撑轴可以在水平面内顺时针或逆时针旋转，四个气隙的大小限制衔铁2的旋转角度。从磁路上看，左右永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向大小的固定磁铁，便会产生固定磁通12，即衔铁两端所受到的电磁力完全相同，衔铁并不发生偏转；一旦线圈中有输入电流通过便会产生控制磁通11，衔铁2为控制磁通11提供磁路，从而打破四个气隙中磁通的平衡，使衔铁2偏转，如附图2所示。

根据力矩马达磁路的具体结构参数与电磁特性参数，在amesim中开始搭建模型。由于衔铁、导磁体、极靴等磁性材料的磁阻相对气隙的磁阻很小，在amesim中忽略上述磁性材料的电磁模型，不考虑磁性材料的磁滞效应、涡流损耗等因素的影响。在模型中，使用一个电磁线圈等效替代实际结构中的两个控制线圈，通过电流源模块为电磁线圈模块提供输入电流。

在建模到的过程中，已知的数据有：

nc＝200，φg＝2.83061×10^-6,a＝17.7，g＝0.4，rg＝5.0525×10^7。

通过公式(2)、(3)可知，kt＝0.0501,km＝3.1707。

第二步，如附图3所示，其质心位置与旋转中心重合，认为转动过程中质心位置保持不变。当有输入电流时，衔铁在力矩马达的作用下发生转动。对衔铁-反馈组件进行分析，并根据附图3所示的射流管伺服阀衔铁组件运动图，分析得到(4)、(5)以及(6)所示的公式，通过公式(4)、(5)和(6)进行建模，我们已知：

ja＝0.0014；ba＝0.0025；ka＝28.6479；kf＝740；l＝22。

第三步，如附图4所示，射流放大器作为射流管电液伺服阀的前置级，其主要功能是将喷嘴的偏转位移信号转换为液压信号，进而来驱动阀芯运动。喷嘴喷出的油液，一部分经回油通道流出，另一部分则流入两接受器内，其中进入接受器内部的油液在冲击作用的影响下会有一部分流出。通过给定的曲线，通过计算我们知道：

kqr＝0.23524。

第四步，如附图5所示，在amesim中搭建阀芯组件的仿真模型，其中，给定的参数有：

av＝126.6769；mv＝68.3。

第五步，搭建完整的阀的amesim仿真建模模型。根据公式(1)、(2)和(3)，我们得到输入电流、衔铁的转角与力矩马达输出力矩的关系，依据这种关系，在amesim中搭建力矩马达磁路的仿真模型，并不断调整输入电流等参数，使输出力矩与输入电流符合一定的比例关系；再根据公式(4)、(5)和(6)，得到当衔铁运动时，反馈杆与阀芯之间的位移变化关系以及力矩关系，在amesim中依据公式搭建衔铁-反馈杆组件的仿真模型。然后再根据公式(7)，搭建射流放大器的仿真模型，并不断调整最大流量系数以及临界流量等参数，使输出流量与射流喷嘴端面的位移存在一定的比例关系；最后根据公式(8)和(9)，搭建滑阀组件的amesim仿真模型。最终，将这四部分组件集成形成完整的阀的amesim仿真建模模型，射流管式电液伺服阀整体amesim仿真模型图如图6所示。

第六步，对第五步得到仿真模型中的滑阀组件进行设计：

6.1)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀1。根据设计要求，将阀套上的型孔设计成6-φ4mm，额定供油压力ps为2mpa，额定流量2l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。阀1的仿真结果如附图7所示。

6.2)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀2。根据设计要求，将阀套上的型孔设置为6个4*0.6mm的矩形窗口，额定供油压力ps为2mpa，额定流量20l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。阀2的仿真结果如附图8所示。

6.3)在射流管电液电液伺服阀的结构基础上，对滑阀组件的阀芯结构进行设计，得到阀3。根据设计要求，将阀套上的型孔设置为6个5*0.6mm的矩形窗口，额定供油压力ps为10mpa，额定流量70l/min，输入电流为负时，燃油从a口进入流经负载，最后从b口回油箱。不断调整射流管处的最大流量系数以及临界流量、力矩马达磁路中线圈的方向和阀芯处的摩擦力等参数，使仿真结果符合要求。阀3的仿真结果如附图9所示。

第七步，对于泄漏的仿真，内泄漏采用amesim内部的模块进行模拟，设置其中的间隙值仿真内泄漏，间隙值越大代表内泄漏越严重，其中间隙值为进油腔p与回油腔t之间的间隙。内泄漏的仿真结果如附图10所示。外泄漏采用节流嘴进行模拟，不同的节流嘴直径代表不同的泄漏程度，直径越大，代表泄漏越严重，其中节流嘴直径代表进油腔p与外部环境之间的间隙。外泄漏的仿真结果如附图11所示。

实施结果：

1)从图7的仿真结果可以看出，输出流量随时间在增加，但最终稳定在1.998l/min，并且输入为负电流时流量从a口进入，从b口回油箱，所以模型满足第六步中阀1设计要求。

2)从图8的模型仿真结果可以看出，输出流量随时间在增加，但最终稳定在19.988l/min，并且输入为负电流时流量从a口进入，从b口回油箱，所以模型满足第六步中阀2设计要求。

3)从图9的仿真结果可以看出，输出流量随时间在增加，但最终稳定在70.158l/min，并且输入为负电流时流量从a口进入，从b口回油箱，所以模型满足第六步中阀3设计要求。

4)从图10仿真结果可以看出，随着泄漏缝隙的增加，泄露的流量逐渐增多。从图11仿真结果可以看出，随着泄漏等效孔径的增加，泄露的流量逐渐增多。

综上可见本发明提出的一种基于amesim软件的射流管电液伺服阀的仿真建模方法是有效的、可行的，能较好的反映实际工作的性能。