两级双喷嘴挡板电液伺服阀衔铁组件的建模与仿真.pdf

２０１４ 年 １２ 月 第 ４２ 卷 第 ２３ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｄｅｃ􀆱 ２０１４ Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ２３ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１４􀆱 ２３􀆱 ０３９ 收稿日期 ２０１３－１０－１６ 作者简介 王新晴 （１９６３）， 男， 博士， 教授， 研究方向为机械状态监测与故障诊断。 Ｅ－ｍａｉｌ ｓ􀆱 ｅｌｅｖｅｎ􀆱 ７３＠ ｈｏｔｍａｉｌ􀆱 ｃｏｍ。 两级双喷嘴挡板电液伺服阀衔铁组件的建模与仿真 王新晴， 王文夫 （中国人民解放军理工大学野战工程学院， 江苏南京 ２１０００７） 摘要 对两级双喷嘴挡板电液伺服阀中的衔铁组件进行了物理模型分析和数学建模， 并在此基础上， 阐述了利用 ＡＭＥＳｅｔ 软件自定义建立衔铁组件子模型的过程和参数设置。 建立了两级双喷嘴挡板电液伺服阀整体的模型， 仿真运行获得 的曲线证明了衔铁组件子模型和两级双喷嘴挡板电液伺服阀整体模型的有效性。 关键词 喷嘴挡板伺服阀； 衔铁组件； ＡＭＥＳｅｔ 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１４） ２３－１６１－５ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｒｍａｔｕｒｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ⁃ｓｔａｇｅ Ｄｕａｌ⁃Ｎｏｚｚｌｅ⁃ｆｌａｐｐｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ ＷＡＮＧ Ｘｉｎｑｉｎｇ， ＷＡＮＧ Ｗｅｎｆｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＰＬＡ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１０００７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ａｒｍａｔｕｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ⁃ｓｔａｇｅ ｄｕａｌ⁃ｎｏｚｚｌｅ⁃ｆｌａｐｐｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏ⁃ｈｙ⁃ ｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｕｂ⁃ｍｏｄｅｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｓｅｔｔｉｎｇ ｏｆ ａｒｍａｔｕｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｓｅｌｆ⁃ｄｅ⁃ ｆｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ＡＭＥＳｅｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ． Ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｆｌａｐｐｅｒ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ． Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｇｒａｐｈ ｇｏｔ⁃ ｔｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｕｎ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｒｍａｔｕｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｆｌａｐｐｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｎｏｚｚｌｅ⁃ｆｌａｐｐｅｒ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ； Ａｒｍａｔｕｒｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ； ＡＭＥＳｅｔ ０ 前言 电液伺服系统在民用和军用各个领域有着广泛的 应用， 如航天、 冶金、 化工等领域。 电液伺服阀作为 电液伺服系统的核心元件， 具有线性度好、 响应速度 快、 压力灵敏度高、 压力和温度零漂小、 控制精度高 等优点； 它实现了电、 液信号的转换与放大， 其性能 关系到整个伺服系统的控制精度、 响应速度和稳定 性。 电液伺服阀结构异常复杂和精密， 对电液伺服阀 进行计算机仿真是研究其性能非常有效的途径， 有大 量文献采用 ＡＭＥＳｉｍ 软件对液压系统进行建模仿真， 并证明了其模型的有效性。 衔铁组件作为两级双喷嘴挡板电液伺服阀中的关 键部分， 受到来自控制电流产生的电磁力， 来自支撑 弹簧管的力矩， 喷嘴喷射在挡板上的液压力， 以及反 馈杆的力， 其力学分析复杂， 并且衔铁组件不在 ＡＭＥＳｉｍ 软件的 ＨＣＤ 库中， 需要自定义建立子模型。 本文作者对二级喷嘴挡板电液伺服阀的衔铁组件 进 行 详 细 的 物 理 模 型 分 析 和 数 学 建 模， 对 不 在 ＡＭＥＳｉｍ软件液压元件设计库 （ＨＣＤ） 中的衔铁组 件， 利用 ＡＭＥＳｅｔ 软件建立衔铁组件自定义子模型， 最终建立两级双喷嘴挡板电液伺服阀的 ＡＭＥＳｉｍ 模 型， 并进行性能仿真测试， 得到的流量、 压力特性曲 线证明了该模型的有效性。 为下一步研究二级喷嘴挡 板电液伺服阀的参数、 性能优化及故障仿真奠定基 础。 １ 两级双喷嘴挡板电液伺服阀结构与工作原理 两级双喷嘴挡板电液伺服阀主要由力矩马达、 双 喷嘴挡板先导级阀和四凸肩的功率级滑阀 ３ 个部分组 成， 第一级为双喷嘴挡板阀， 称为前置放大级， 由力 矩马达控制； 第二级为四边滑阀， 称为功率放大级， 阀芯通过反馈杆与衔铁挡板组件相连， 构成滑阀位移 力反馈回路。 其具体结构图 １ 所示。 薄壁的弹簧管 ５ 支撑衔铁 ３ 和挡板组件 ７， 并作为喷嘴挡板液压阀的 液压密封。 弹簧管从衔铁挡板组件中伸出， 其下端球 头插入主阀芯 ９ 中间的小槽内， 构成阀芯对力矩马达 的力反馈。 左右两个固定节流孔 １０ 与两个喷嘴 ６ 及 挡板 ７ 间的可变节流孔组成液阻桥路。 图 １ 两级双喷嘴挡板电液伺服阀结构图 当电流信号输入控制线圈时， 衔铁上产生磁通， 与永磁铁的固定磁通相互作用产生电磁力矩， 使衔铁 挡板组件绕弹簧管转动中心偏转， 挡板偏离中位， 引 起滑阀两侧控制油腔压力失衡， 推动阀芯向相应的方 向运动。 阀芯运动将带动反馈杆运动， 产生的反馈力 矩反馈到力矩马达上， 直到反馈杆反馈力矩、 喷嘴 挡板的液压力矩和输入电流信号产生电磁力矩相平衡 时， 阀芯将停止运动， 其位移与控制电流成比例。 输 入控制线圈的电流越大， 衔铁偏转的转矩、 挡板偏离 中位的位移以及阀芯的偏移量越大， 电液伺服阀输出 的流量也越大。 ２ 衔铁组件数学模型的建立 衔铁组件包括衔铁、 挡板和反馈杆， 其示意图如 图 ２ 所示， 对建立数学模型的必要参数及其说明见表 １。 图 ２ 衔铁组件示意图 表 １ 衔铁组件各部分参数说明 参数名称参数说明参数名称参数说明 ｌ衔铁臂长Ｉ转动惯量 Ｌ弹簧管长度Ｅ弹簧管的杨氏模量 ｄ１弹簧管起点距重心的距离Ｄｅ弹簧管外径 ｄ２喷嘴距重心的距离Ｄｉ弹簧管内径 ｄ３阀芯距重心的距离ｋ弹簧管刚度 ｍ衔铁质量ｂｒ衔铁组件旋转阻尼 ｂｔ衔铁组件移动阻尼θ衔铁组件转角 下面对衔铁组件各个部分分别进行受力分析， 在 此假设 衔铁为刚体， 并考虑微小的位移， 如衔铁重 心在水平方向的位移 ｘｇ， 弹簧管顶端在水平方向的 位移 ｘｔ等。 （１） 衔铁 衔铁有两个自由度 衔铁旋转角度 θ， 衔铁重心 在水平方向上的位移 ｘｇ。 由于考虑微小位移， 衔铁在 受到电磁力矩时的细微变化都要计算。 衔铁在受到电 磁力矩时发生偏转， 由于支撑衔铁的弹簧管下端固 定， 受力发生变形时， 其顶端会有水平方向上的微小 位移， 这样衔铁不仅在绕着重心有一定转角， 而且在 水平方向也有微小的位移， 设衔铁重心水平位移 ｘｇ， 支撑衔铁的弹簧管顶端水平上移动 ｘｔ， 它们之间的关 系可由结构示意图得到 ｘｔ ＝ｘ ｇ ＋ｄ １θ （１） 衔铁上作用的电磁力矩可以用衔铁两端的上、 下 侧的 ４ 个作用力来表示 ＣＴＭ＝ （ｆ３ －ｆ ２ ＋ｆ ５ －ｆ ４） ｌ （２） （２） 弹簧管 弹簧管的力与力矩可由文献中的公式得到 Ｆｔｕｂｅ Ｔｔｕｂｅ ＝ＥＩ １２／ Ｌ３－６／ Ｌ２ －６／ Ｌ２４／ Ｌ ｘｔ θ 为简化书写， 令 Ｋ１１＝ １２／ Ｌ３， Ｋ１２ ＝ Ｋ ２１ ＝ －６／ Ｌ２， Ｋ２２＝４／ Ｌ， 则公式可改写为 Ｆｔｕｂｅ Ｔｔｕｂｅ ＝ＥＩ Ｋ１１Ｋ１２ Ｋ２１Ｋ２２ ｘｔ θ （３） （３） 挡板 挡板所受力由两喷嘴喷出的液压力做差得到 Ｆｎｏｚｚｌｅ－ｆｌａｐｐｅｒ ＝ｆ ｒ －ｆ ｌ （４） （４） 反馈杆 反馈杆的实际位移必须要考虑到衔铁重心的位移 ｘｇ， 并且注意到， 反馈杆的实际位移的方向和衔铁重 心的位移方向相反， 设 ｘｗ为阀芯相对于平衡位置的 ２６１机床与液压第 ４２ 卷 位移， 且水平向右方向为正， 按图 １ 所示方向旋转， 反馈杆的实际位移为 ｘｇ －ｄ ３θ－ｘｗ 则反馈杆的反馈力为 Ｆｗ ＝－ｋ ｗ （ｘｇ －ｄ ３θ－ｘｗ） （５） （５） 衔铁组件的状态方程 有了上面各部分的公式， 可以得到衔铁组件的方 程如下 Ｊθ ＝ ＣＴＭ － ｂ ｒ ̇ θ － Ｋ２１ｘｇ＋Ｋ２２ ＋ ｄ １Ｋ１２ θ[]＋ ｋｗｘｇ － ｄ ３θ － ｘ ｗ []ｄ３＋ｆｒ － ｆ ｌ ｄ２（６） ｍｘｇ＝－ ｂｔ̇ｘｇ ＋ ｆ ｌ － ｆ ｒ － ｋ ｗ ｘｇ － ｄ ３θ － ｘ ｗ []－ Ｋ１１ｘｇ＋Ｋ１２ ＋ ｄ １Ｋ１１ θ[]（７） 则整个衔铁组件状态方程用向量形式表达如下 ̇ ｗ ̇ｖ ｇ ̇ θ ̇ ｘｇ ＝ － ｂ ｒ Ｊ ０ － （Ｋ２２＋ ｄ１Ｋ１２ ＋ ｋ ｗｄ３ ２） Ｊ － Ｋ １２ ＋ ｋ ｗｄ３ Ｊ ０ － ｂ ｔ ｍ － Ｋ １２ － ｄ １Ｋ１１ ＋ ｋ ｗｄ３ ｍ － Ｋ １１ － ｋ ｗ ｍ １０００ ０１００ ｗ ｖｇ θ ｘｇ ＋ ＣＴＭ － ｋ ｗｘｗｄ３ ＋ （ｆ ｒ － ｆ ｌ）ｄ２ Ｊ ｋｗｘｗ － （ｆ ｒ － ｆ ｌ） ｍ ０ ０ （８） ３ 衔铁组件 ＡＭＥＳｅｔ 的建模 ＡＭＥＳｉｍ 全称 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｆｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ， 工程系统 高级建模和仿真平台， 是当今领先的传动系统和液压 机械系统建模、 仿真及动力学分析软件。 ＡＭＥＳｅｔ 是 ＡＭＥＳｉｍ 软件包的一部分， 它提供了完善的用户接 口， 利用 ＡＭＥＳｅｔ 可以创建自己的子模型扩大 ＡＭＥＳ⁃ ｉｍ 的能力， 更适应自己的应用。 文中的衔铁组件不 在 ＡＭＥＳｉｍ 的标准库中， 因此需要利用 ＡＭＥＳｅｔ 自定 义创建。 根据 ＡＭＥＳｅｔ 的建模方法将衔铁组件的物理模型 进行简化， 如图 ３ 所示， 由上述的数学模型分析得 知， 衔铁组件需要有 ７ 个端口 （Ｐｏｒｔｓ） 和 ７ 个内部 变量 （ｉｎｔｅｒｎａｌ ｖａｒｉａｂｌｅ）。 ７ 个端口和 ７ 个内部变量的 具体设置和说明见表 ２、 ３。 图 ３ 衔铁 ＡＭＥＳｅｔ 示意图 表 ２ 端口变量和设置 端口（Ｐｏｒｔｓ）变量名变量说明变量属性 端口 １ ｖｆｌａｐｐｅｒ端口 １ 处挡板速度ｏｎｅ ｌｉｎｅ ｍａｃｒｏ ‘ｖｇ－ｄ２∗ｗ’ ｘｆｌａｐｐｅｒ端口 １ 处挡板位移ｏｎｅ ｌｉｎｅ ｍａｃｒｏ ‘ｘｇ－ｄ２∗ｔｈｅｔａ’ ｆｒ挡板右侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 端口 ２ ｖ２端口 ２ 处速度ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｕｔｐｕｔ ｘ２端口 ２ 处位移ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆ２衔铁右下侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 端口 ３ ｖｂ端口 ３ 处速度ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｖ２，ｓｉｇｎ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｘｂ端口 ３ 处位移ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｘ２，ｓｉｇｎ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｆ３衔铁右上侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 端口 ４ ｖｃ端口 ４ 处速度ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｖ２ ｘｃ端口 ４ 处位移ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｘ２ ｆ４衔铁左上侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 端口 ５ ｖｄ端口 ５ 处速度ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｖ２ ，ｓｉｇｎ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｘｄ端口 ５ 处位移ｄｕｐｌｉｃａｔｅ ｏｆ ｘ２ ，ｓｉｇｎ ｒｅｖｅｒｓｅｄ ｆ５衔铁左下侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ ３６１第 ２３ 期王新晴 等 两级双喷嘴挡板电液伺服阀衔铁组件的建模与仿真 续表 ２ 端口（Ｐｏｒｔｓ）变量名变量说明变量属性 端口 ６ ｖｆ１６端口 ６ 处挡板速度ｏｎｅ ｌｉｎｅ ｍａｃｒｏ ‘－（ｖｇ－ｄ２∗ｗ）’ ｘｆ１６端口 ６ 处挡板位移ｏｎｅ ｌｉｎｅ ｍａｃｒｏ ‘－（ｘｇ－ｄ２∗ｔｈｅｔａ’ ｆｌ挡板左侧受力ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 端口 ７ ｆｗ反馈杆反馈力ｏｎｅ ｌｉｎｅ ｍａｃｒｏ ‘－ｋｗ∗（ｘｇ－ｄ３∗ｔｈｅｔａ－ｘｗ）’ ｖｗ反馈杆速度ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ ｘｗ反馈杆小球位移ｂａｓｉｃ ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｐｕｔ 表 ３ ７ 个内部变量 变量名变量说明 ｘｇ衔铁重心位移 ｖｇ衔铁重心速度 θ衔铁转角 ｗ衔铁角速度 ｘｔ弹簧管顶端位移 ｆｔｕｂｅ弹簧管水平力 ｔｔｕｂｅ弹簧管力矩 设置好上述 １３ 个实参数 （表 １， 不包括 θ）， ７ 个端口的变量 （表 ２）， 以及 ７ 个内部变量 （表 ３） 后， 根据两级双喷嘴挡板电液伺服阀的数学模型进行 模型代码的编写。 点击 “生成子模型代码” 按钮， ＡＭＥＳｅｔ 会自动生成子模型代码框架， 在代码编辑模 式下， 只需要在指定位置书写代码即可。 根据上面的 推导出的公式， 对模型进行代码编写如下 “ ／ ∗ ＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｅｘｅ⁃ ｃｕｔａｂｌｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔｓ􀆱 ∗／ ” Ｉ＝３􀆱 １４１５６ ／ ６４ ∗（ ｐｏｗ（Ｄｅ，４） － ｐｏｗ（ Ｄｉ，４））； ｃ［０］ ＝Ｉ； ｃ［１］ ＝ｙｏｕｎｇｍｏｄ ∗ Ｉ ∗ （ １２／ ｐｏｗ（Ｌ，３） ）； ｃ［２］ ＝ｙｏｕｎｇｍｏｄ ∗ Ｉ ∗（－６／ ｐｏｗ（Ｌ，２））； ｃ［３］ ＝ｙｏｕｎｇｍｏｄ ∗ Ｉ ∗（ ４／ Ｌ ）； “ ／ ∗ ＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞＞Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｅｘｅｃｕｔ⁃ ａｂｌｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔｓ􀆱 ∗／ ” Ｉ＝ｃ［０］； ｋ１１＝ｃ［１］； ｋ２１＝ｃ［２］； ｋ２２＝ｃ［３］； ／ ∗ ｆｌｅｘｕｒｅ ｔｕｂｅ ｓｔａｒｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ∗／ ∗ｘｔ ＝ ∗ｘｇ ＋ ｄ１ ∗ ∗ｔｈｅｔａ； ／ ∗ ｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ∗ｘｆ ＝ ∗ｘｇ ＋ ｄ３ ∗ ∗ｔｈｅｔａ； ∗／ ／ ∗ｆｌｅｘｕｒｅ ｔｕｂｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ∗／ ∗ｆｔｕｂｅ ＝ ｋ１１ ∗ ∗ｘｔ ＋ ｋ２１ ∗ ∗ｔｈｅｔａ； ∗ｔｔｕｂｅ ＝ ｋ２１ ∗ ∗ｘｔ ＋ ｋ２２ ∗ ∗ｔｈｅｔａ； ／ ∗ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｐｒｉｎｇ ｆｏｒｃｅ∗／ ／ ∗ ｆｗ ＝ ｋｗ ∗ （ ｘｆｉｃｔｉｔｉｏｕｓ － ｘｗ） ∗／ ／ ∗∗ｆｗ ＝ ｋｗ ∗ （ ∗ｘｇ ＋ ｄ３ ∗ ∗ｔｈｅｔａ － ∗ ｘｗ）；∗／ ∗ｗｄｏｔ＝ １／ Ｊ ∗（ －ｂｒ ∗ ∗ｗ ＋（∗ｆ３－∗ｆ２＋∗ｆ５－ ∗ｆ４）∗ ｈａｌｆｌｅｎｇｈｔ － ∗ｔｔｕｂｅ ＋ ｋｗ ∗ （ ∗ｘｇ － ｄ３ ∗ ∗ ｔｈｅｔａ － ∗ｘｗ） ∗ ｄ３ ＋ （ ∗ｆｒ－ ∗ｆｌ）∗ ｄ２ ）； ∗ｖｇｄｏｔ＝ １／ ｍ ∗ （ －ｂｔ ∗ ∗ｖｇ －（∗ｆｒ － ∗ｆｌ） － ｋｗ ∗ （ ∗ｘｇ － ｄ３ ∗ ∗ｔｈｅｔａ － ∗ｘｗ） － ∗ｆｔｕｂｅ ）； ∗ｘｇｄｏｔ ＝ ∗ｖｇ； ∗ｔｈｅｔａｄｏｔ ＝ ∗ｗ； ／ ∗ ｆｌａｐｐｅｒ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ∗／ ／ ∗∗ｘｆｌａｐｐｅｒ ＝ ∗ｘｇ － ｄ２∗ ∗ｔｈｅｔａ； ∗ｖｆｌａｐｐｅｒ ＝ ∗ｖｇ － ｄ２∗ ∗ｗ；∗／ ／ ∗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｎ ａｒｍａｔｕｒｅ ａｔ ｐｏｒｔ ２ ∗／ ∗ｖ２ ＝ ｈａｌｆｌｅｎｇｈｔ ∗ ∗ｗ； ∗ｘ２ ＝ ｈａｌｆｌｅｎｇｈｔ ∗ ∗ｔｈｅｔａ； ／ ∗ｎｏｔｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ ｏｎ ａｒｍａｔｕｒｅ ａｔ ｏｔｈｅｒ ｐｏｒｔｓ ａｒｅ ｄｕｐｌｉｃａｔｅ∗／ 编写好代码之后， 还需要用图标设计器设计一个 图标， 并注明端口； 点击 “编译” 按钮， 就可以生 成一个自定义子模型了， 如图 ４、 ５ 所示。 最后， 添加新的类别 （Ａｄｄ Ｃａｔｅｇｏｒｙ）， 将衔铁的 子模型放入其中， 这样， 在使用 ＡＭＥＳｉｍ 建模时就可 以像使用标准库的部件一样使用该衔铁组件子模型了。 ４６１机床与液压第 ４２ 卷 图 ４ 图标设计器作图 图 ５ 衔铁模型外部变量 ４ 两级双喷嘴挡板电液伺服阀 ＡＭＥＳｉｍ 建模与仿 真 使用 ＡＭＥＳｉｍ 中的电磁库和液压库， 以及自定义 的衔铁组件， 可以建立一个完整的双喷嘴挡板电液伺 服阀的模型， 如图 ６ 所示， 该模型设置为空载， 运行 该两级双喷嘴挡板电液伺服阀 ＡＭＥＳｉｍ 模型， 通过流 量和压力特性曲线， 验证衔铁模型的有效性以及整个 伺服阀的性能。 图 ６ 两级双喷嘴挡板电液伺服阀空载流量模型 实参数的设置在 ＡＭＥＳｉｍ 的仿真运行中非常关 键， 参考国内、 外伺服阀的参数和规格以及部分文 献， 经过多次仿真运行试验， 得到如下伺服阀关键参 数， 具体如表 ４、 ５ 所示。 表 ４ 衔铁组件参数 ｌ／ ｍｍ１４􀆱 ５ Ｌ／ ｍｍ４􀆱 ８ ｄ１／ ｍｍ３ ｄ２／ ｍｍ８􀆱 ６ ｄ３／ ｍｍ２２ ｍ／ ｇ５􀆱 ５ ｂｔ／ （Ｎｍ －１ ｓ －１ ）１０ Ｊ／ （１０ －７ ｋｇｍ２）５􀆱 ８ Ｅ／ （１０５ＭＰａ）１􀆱 ２ Ｄｅ／ ｍｍ４􀆱 ４６ Ｄｉ／ ｍｍ４􀆱 ３６ ｋ／ （Ｎｍ －１ ）３ ４００ ｂｒ／ （Ｎｍｒａｄ －１ ｓ －１ ）０􀆱 ００１ 表 ５ 其他参数 供油压力／ ＭＰａ２１ 喷嘴直径／ ｍｍ０􀆱 ４ 喷嘴挡板间隙／ ｍｍ０􀆱 ０６ 进油孔径／ ｍｍ０􀆱 ２ 回油孔径／ ｍｍ０􀆱 ３ 阀芯质量／ ｇ１０ 阀芯直径／ ｍｍ１０ 杆径／ ｍｍ５􀆱 ５ 阀芯行程／ μｍ５００ 阀芯摩擦／ （Ｎｍ －１ ｓ －１ ）５０ 输入电信号为 ０􀆱 ２ Ｈｚ 的正弦波， 大小 １０ ｍＡ， 时间 ５ ｓ； 仿真时间 ５ ｓ， 打印时间 ０􀆱 ００１ ｓ。 测试伺服阀阀的静态特性。 首先， 画出阀出口压 力和阀芯位移的函数关系曲线， 即压力特性曲线， 如 图 ７ 所示， 可以看到伺服阀的在很小的阀芯位移压力 即可达到最大值， 即压力增益很大， 说明伺服阀对负 载流量的控制很灵敏。 然后， 画出伺服阀的流量特性曲线， 即输入电流 和流量函数关系曲线， 如图 ８ 所示。 理论上空载流量 特性曲线是呈环状的函数曲线， 是输入电流在正负额 定电流之间的一个完整循环。 由图可以看到， 空载流 量特性曲线呈环状， 并且具有非常好的线性度和很小 滞环， 这证明了模型的有效性。 图 ７ 压力特性曲线 （下转第 １９９ 页） ５６１第 ２３ 期王新晴 等 两级双喷嘴挡板电液伺服阀衔铁组件的建模与仿真 表 ３ 是预测结果的相对误差， 负号表示预测结果 低于实际数据。 表 ３ 预测相对误差分析 序号均值 μ／ ％峰值 Ｐ／ ％陡度 Ｋ／ ％ 峰值指标 Ｐｃ／ ％ ２１－３􀆱 ７３􀆱 ８－３􀆱 ３５􀆱 ３ ２２－３􀆱 ３１􀆱 ２－２􀆱 ２－３􀆱 ９ ２３－５􀆱 ９－７􀆱 ３－３􀆱 ６－２􀆱 ９ 通过实验的结果分析， 可以看出 预测结果的相 对误差都在 ８％以内。 本算法是对磨损引起的振动信 号的统计指标进行预测， 然后可以根据磨损与振动的 模型， 计算出磨损的程度， 实现对磨损程度的预 测［１４］。 由实验的分析可知， ＳＷＬＳ⁃ＳＶＭ 对磨损预测 的效果良好， 该预测算法是有效的。 ３ 结论 应用支持向量机来预测磨损， 建立了 ＳＷＬＳ⁃ＳＶＭ 齿轮磨损预测方法， 并用齿轮箱磨损实验数据进行了 预测验证， 表明了文中提出的 ＳＷ 核 ＬＳ⁃ＳＶＭ 齿轮磨 损预测算法在有限的样本情况下也可以进行有效预 测， 而且具有较好的泛化学习能力， 预测误差控制在 ８％以内。 同时由于磨损影响因素复杂繁多， 预测方 法还有待进一步改正， 以提高预测精度。 参考文献 ［１］ 张景柱，崔清斌，徐诚． 基于协同仿真的传动箱齿轮疲 劳寿命预测方法［Ｊ］．兵工学报，２００７，２８（１２）１４２４－ １４２７． ［２］ ＡＳＩ Ｏ．Ｆａｔｉｇｕｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ａ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｇｅａｒ ｉｎ ａ Ｇｅａｒｂｏｘ［Ｊ］． Ｅｎｇ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌ，２００６，１３（７）１１－１６． ［３］ 徐龙云，芮执元，冯瑞成．基于 Ｈｉｌｂｅｒｔ⁃Ｈｕａｎｇ 变换的齿轮 故障诊断研究［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（３）１３３－１３６． ［４］ 腾红智，赵建民，贾希胜，等．基于状态空间模型的齿轮 磨损预测研究［Ｊ］．机械科学与技术，２０１１，３０（１２）２０８６ －２０９１． ［５］ 江亲瑜．线接触零件磨损过程及寿命预测的数值仿真 ［Ｊ］．润滑与密封，１９９７（６）２９－３０． ［６］ 曹一波，谢小鹏．基于最小二乘支持向量机的磨损预测 ［Ｊ］．润滑与密封，２００７，３２（２）１３８－１４２． ［７］ ＣＯＲＴＥＳ Ｃ，ＶＡＰＮＩＫ Ｖ．Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．Ｍａ⁃ ｃｈｉｎｅ Ｌｅａｒｎｉｎｇ，１９９５，２０２７３－２９７． ［８］ ＳＵＹＫＥＮＳ Ｊ Ａ Ｋ，ＶＡＮＤＥＷＡＬＬＥ Ｊ．Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｖｅｃｔｏｒ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｌａｓｓｉｆｉｅｒｓ［Ｊ］． Ｎｅｕｒａｌ ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＬｅｔｔｅｒｓ， １９９９，２８（３）２９３－３００． ［９］ 张家树，党建亮，李恒超．时空混沌序列的局域支持向量 机预测［Ｊ］．物理学报，２００７，５６（１）６７－７７． ［１０］ 冯占辉，胡茑庆，程哲．基于时频域状态指标的行星齿 轮断齿故障检测［Ｊ］．机械科学与技术，２０１０，２９（６） ７０１－７０４． ［１１］ 程珩，黄超勇，张永刚．基于粒子群优化决策树的齿轮 箱故障诊断［Ｊ］．振动、测试与诊断，２０１３，３３（１）１５３－ １７２． ［１２］ ＥＢＥＲＳＢＣＨ Ｓ，ＰＥＮＧ Ｚ，ＫＥＳＳＩＳＳＯＧＬＯＵ Ｎ Ｊ．Ｔｈｅ Ｉｎｖｅｓ⁃ ｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ａ Ｓｐｕｒ Ｇｅａｒｂｏｘ Ｕ⁃ ｓｉｎｇ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｄｅｂｒｉｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］． Ｗｅａｒ，２００６，２６０（１－２）１６－２４． ［１３］ ＰＥＮＧ Ｚ，ＫＥＳＳＩＳＳＯＧＬＯＵ Ｎ．Ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ Ｆａｕｌｔ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｕｓｉｎｇ Ｗｅａｒ Ｄｅｂｒｉｓ ａｎｄ Ｖｉ⁃ ｂｒａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］． Ｗｅａｒ，２００３，２５５（７ － １２）１２２１ － １２３１． ［１４］ 冯伟，谢小鹏，刘粲．基于能量损耗的齿轮磨损与振动 相关性建模［Ｊ］．振动、测试与诊断，２０１０，３０（４）４５８－ ４７７． （上接第 １６５ 页） 图 ８ 流量特性曲线 ５ 结束语 对两级双喷嘴挡板电液伺服阀中的衔铁组件进行 了详细的物理模型分析和数学建模， 并在此基础上， 详细说明了利用 ＡＭＥＳｅｔ 软件自定义建立衔铁组件子 模型的过程和参数设置； 建立两级双喷嘴挡板电液伺 服阀整体的模型后， 仿真运行获得的曲线证明了衔铁 组件子模型和两级双喷嘴挡板电液伺服阀整体模型的 有效性。 衔铁组件是故障比较集中的组件， 详细了解 该组件的物理和仿真模型， 为下一步进行两级双喷嘴 挡板电液伺服阀的故障诊断和仿真奠定了坚实基础。 参考文献 ［１］ 付永领，祁晓野．ＡＭＥＳｉｍ 系统建模和仿真从入门到精 通［Ｍ］．北京北京航空航天大学出版社，２００６． ［２］ 施康，曾良才，朱学彪．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的电液伺服系统故 障仿真研究［Ｊ］．流体传动与控制，２００９（３）３． ［３］ 田源道．电液伺服阀技术［Ｍ］．北京航空工业出版社， ２００８． ［４］ 徐鑫．电液伺服阀理论与试验研究［Ｄ］．镇江江苏科技 大学，２００８． ［５］ 靳莲．电液伺服阀优化设计［Ｄ］．西安西北工业大学， ２００７． ［６］ 江玲玲．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的液压系统动态特性仿真与优化 研究［Ｄ］．绵阳西南科技大学，２００７． ［７］ 梁利华．液压传动与电液伺服系统［Ｍ］．哈尔滨哈尔滨 工程大学出版社， ２００５． ［８］ 张宪宇，陈小虎，何庆飞，等．基于 ＡＭＥＳｉｍ 液压元件设 计库的液压系统建模与仿真研究［Ｊ］．机床与液压， ２０１２，４０（１３）１７２－１７４． ９９１第 ２３ 期唐娟 等 基于小波核最小二乘支持向量机的齿轮磨损预测