键合图在高速开关阀建模与动态仿真中应用研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com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流量连续按比例地控制。件，其物理模型具有非线性、多

2、能域耦合的特点。传图1为螺纹插装式高速开关阀结构原理图。当统的建模方法对于多能域耦合系统的建模具有局线圈6通电时，衔铁7产生电磁吸力，克服油液压限性，难以用统一的形式对系统进行建模和数字仿力、阀芯惯性力及黏性阻力的作用，推动进油球阀真u1。键合图理论是一种适用于多能域耦合系统建1、回油球阀3一起向左运动，直到回油球阀3紧靠模的理论，用键图的形式描述系统能量的传输、转在阀座上，此时阀芯完全开启。当线圈6断电时，进化、贮存、耗散。这种方法具有形象、直观、模块化结油球阀1、回油球阀3与衔铁7在油液压力的作用构、调用方便、建模规则化等优点。下一起向右运动，直到进油球阀1紧靠在阀座上，本文以螺纹插装式

3、高速开关阀为研究对象，运此时阀芯完全关闭。用键合图理论建立该阀电磁铁的键合图模型，并推123456789导出其数学状态方程，最后运用MATLAB／Simulink控制目f／f／＼软件进行动态仿真分析。+fl＼^^、x、、j．＼"t／^，，，，，，，，y，，，，，，dl1高速开关阀结构及工作原理删If囱W-／／~IIfIIII高速开关阀作为电液比例多路阀的先导控制一===<目阀，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1．进油球阀2．阀座3．回油球阀4．阀体5．极靴力，使得阀芯高速正、反向运动，实现对进、回油口6．线圈7．衔铁8．磁轭9．衔铁管油液

4、的交替通、断控制。利用高速开关阀进、回油口图1螺纹插装式高速开关阀结构原理图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2机械一电磁耦合作用阀芯的位移，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，因此可以通过电磁铁通过线圈电流激励磁路产生磁通，磁通调节PWM信号的占空比来实现电液比例多路阀的使磁路产生电磁力，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—学兔兔www.xuetutu.comIl；，铁位移的函数，H；Ⅳ譬蔷耋、蓑纂阀电磁铁的键合图模型前，

5、需图模的建立规则，可以建立其键合R¨F⋯，。。ILI一0、、l机械系统液系统TFA鬻；0RIc．I、l璧辫I_ty24F3p，lQIr．，—2IJ1-IVlA2l一lrRRl▲▲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(3)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(4)键合图模型对应的状态方程如下：一25—学兔兔www.xuetutu.com动速度，m／s；为开关阀阀芯质量，kg；I为线圈电疗zz—Rz一鲁(5)感，H；I。为负载质量，kg；C为控

6、制腔液容，mS／N；C2等志(6)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；=c，、／(ps·)-Ar。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、／(7)为线圈匝数；为线圈电阻，Q；()为磁路磁阻，辅助方程：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，·=__HI(8)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L(x)=(9)面积，1TI；A为回油阀阀口通流面积，in；

7、p为控制丽(10)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，(。)。1=2CdCvA3cosa(ps1)(11)F~=2CaCvA4OOSOL·P1(12)4Simulink仿真模型El(13)p·=根据前面建立的数学模型，运用MATLAB式中：U为电源电压，V；为开关阀阀芯惯性力，N；／Simulink建立电磁铁的动态仿真模型，研究其动态，，，为线圈由乐．V：为角壹