基于AMESim压力脉冲试验台的设计与研究

刘丞博，王野牧，王云峰

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前言

压力脉冲试验台是航空工业领域中重要的自动化设备，而液压控制系统是形成符合要求脉冲波形的关键部分。压力脉冲试验台是以伺服比例阀为核心控制元件，配合高精度等级的变送器，通过智能计算机和数据采集模块形成的试验系统。

1 液压系统原理设计与分析

液压泵站由油泵电机组、油箱检测组件、温度控制组件、蓄能器组件和防止污染装置等5个单元组合而成。压力脉冲试验台液压原理图如图1所示。

图1 压力脉冲试验台液压原理图

液压系统工作原理：液压源采用轴向柱塞定量泵为系统供油，油箱的进出口通过不同的过滤器对油液进行过滤清洁处理，通过蓄能器存储液压能，压力传感器和比例溢流阀形成闭环的压力系统，通过伺服比例阀的快速换向实现对脉冲波形的控制，并配合使用温度传感器、液位计实时检测油箱中油液的温度以及高度。

2 控制系统原理设计与分析

2.1 系统压力的闭环控制

系统压力控制原理：系统由工控机、高性能的比例溢流阀以及高精度等级的压力传感器组成闭环压力控制系统。模拟量输入模块通过传感器采集模拟信号后，转换成标准的4～20 mA的输出信号送到PCI1715U(AI)采集卡，再传送给计算机。工控机通过PCIE1816(AO)采集卡将采集到的电流信号与发出的电流信号比较，得到电流偏差值后将信号送到比例放大器，比例电磁铁接收经过放大器转换后的得到的模拟信号来控制阀芯的位移量，直至偏差值减小到最小，此时阀芯开口大小即为调定压力大小，从而实现系统压力的闭环精确控制。系统压力的闭环控制方式如图2所示。

图2 系统压力闭环控制方式

比例溢流阀压力控制方式：比例溢流阀与被试件并联，进油口的压力与溢流阀的调定压力比较后会反馈到溢流阀阀芯处，配合高精度的压力传感器，当检测到系统的供油压力高于调定压力时，溢流阀阀芯开口变大，将多余油液溢流回油箱，降低系统压力，反之亦然。供油压力超出调定压力越高，阀芯开口越大从而保证系统压力稳定在控制压力下。

比例溢流阀选型：本试验器选用型号为PRE3G-350/11N-E0K11/B的比例溢流阀。此型号的比例溢流阀为带集成放大板的先导式比例溢流阀，可通过集成数字放大板使压力调节与电磁铁输入电流成正比，其P-T口的最大工作压力为35 MPa，并具有抗强电磁干扰功能，响应时间达到120 ms，重复精度为1%满足系统的要求。因此综合考虑阀芯的动作灵敏度以及响应时间对液压系统的影响， 选择此型号的比例溢流阀精准控制系统的供油压力。

2.2 水锤压力脉冲波形的控制

通过参照伺服比例阀的样本,对建立的伺服比例阀模型的二阶振荡环节、阀体和阀芯等参数进行设置，通过分析其静态和动态特性，使得其与所选型号阀样本中的数据相匹配,具体参数如图3所示。

参数名称参数值质量块质量/kg0.1摩擦系数500阀芯直径/mm10阀芯颈部直径/mm5槽数/个2最大流动系数0.6正开口量/mm0.15阀芯位移/mm0.4弹簧活塞直径/mm10弹簧活塞杆径/mm5

能够判断出所建立的伺服比例阀仿真模型参数信息设置的正确性、合理性,进而构建一个小型的压力脉冲试验的液压系统。伺服比例阀AMESim仿真模型如图4所示。

图4 伺服比例阀仿真模型

首先设想通过比例溢流阀的快速换向形成试验要求的水锤波形，建立如图5所示的系统的仿真模型，对系统模型进行参数设置后，校验系统压力的阶跃响应特性、阶跃响应误差曲线，以及系统的响应时间。

图5 比例溢流阀控制系统的仿真模型

如图6所示的压力脉冲曲线可知由比例溢流阀的快速换向形成的脉冲波形的响应时间达不到要求，滞后时间长，经PID调节后无法形成稳定的水锤波形。

图6 比例溢流阀控制系统的压力-时间曲线

因此，设想由伺服比例阀和压力传感器构成闭环压力控制系统，并通过伺服比例阀的快速换向实现压力的水锤波控制，如图7所示。

图7 伺服比例阀控制系统的仿真建型

泵的排量为20 ml/r,配和使用转速为150 r/min的电机，伺服比例阀P、A口之间最大开口时的流量设为4 L/min,对应的压降为35 MPa，其固有频率为80 Hz，蓄能器的容积为4 L，并加入PID控制器，使系统的压力偏差达到最小，发出的阶跃信号振幅为230，相应的PID参数为P=1，I=5，D=0.0011，得到曲线如图8所示。

图8 伺服比例阀控制系统的压力-时间曲线1

图9 伺服比例阀控制系统的压力-时间曲线2

如图8所示，在一个循环周期内，Pmax达到21 MPa，(0.9～0.1)Pmax为16.8 MPa，ΔT=0.00481 s，经计算可知升率为3 492.72 MPa/s，满足技术要求中升率大于2 236 MPa/s。如图9所示，峰值压力达到20.42 MPa，被试件的工作压力为14 MPa，在被试件工作压力偏差区域内停留的时间为0.01 s，以上均满足技术要求中水锤波的峰值压力为工作压力的1.5倍，控制精度为±4%。

通过大量仿真试验表明，通过调节伺服比例阀的换向频率，即可改变脉冲试验波形的循环频率，并且调节伺服比例阀的阀口开度，即可调节液压脉冲波形的斜率，而脉冲试验的峰值压力取决于比例溢流阀的调定压力。

3 结束语

压力脉冲试验台设计与研究主要是设计一个压力脉冲试验台，测试液压换向阀能否满足其全寿命期限内承受压力脉冲的能力，试验中脉冲波形主要由伺服比例阀的阀门开口度、换向频率、供油压力等因素决定，可由伺服比例阀的快速换向实现对压力方波的控制，实现对脉冲压力的调节，以此来评估换向阀的质量，提高系统的安全性与稳定性。

参考文献:

[1] 张利平.液压传动系统及设计[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2] 付永邻，祁晓野.AMESim系统建模和仿真：从入门到精通[M].机械制造与自动化，2011.

[3] 杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术[M].北京：清华大学出版社，2011.