MWORKS应用案例 | 基于Modelica的射流管式电液伺服阀的建模仿真

射流管式电液伺服阀前置级为射流放大器，相较于喷嘴挡板阀具有优异的抗污染能力，被广泛应用于航空、舰船等领域。由于射流流场较为复杂，射流管式电液伺服阀理论分析并不成熟，需要依靠大量试验来设计改进，而装配调试的技术要求较高、成本较大，因此借助仿真技术提前对其各方面性能进行研究分析具有重要意义。

1  工作原理

本文以射流管式两级电液伺服阀(以下简称“射流管阀”)为原型进行仿真模拟。

图1 射流管阀结构图

如图1所示，射流管阀主要由力矩马达、衔铁、射流管、喷嘴、接受器、反馈杆、阀芯、滤器等部分组成。其工作原理如下:

线圈通电后，射流管与衔铁焊接固定，由力矩马达带动偏转。液压油通过滤器过滤经柔性的供压管进入射流管，从射流管喷嘴射出的液压油进入与阀芯两端控制腔分别相通的接受器的两个接收孔，推动阀芯移动。射流管侧面装有反馈杆，反馈杆与阀芯连接构成对力矩马达的力反馈。

2  建模仿真

2.1 射流放大器建模与仿真验证

射流放大器由射流管喷嘴及接收装置组成，是射流管阀的先导级。当高压油液通过射流管喷嘴时其压力能转化为动能，油液高速喷出进入两接收孔并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。

图2 射流放大器接收面积模型

射流放大器接收面积模型如图2所示。其中，中间圆面积为喷嘴面积，左右圆面积为两接收孔面积，接受器尖劈长度为2L。射流管逆时针方向旋转时，喷嘴向右偏离中立位置xj，喷嘴与左侧接收孔重叠面积为f1，与右侧接收孔重叠面积为f2，未重叠面积为f3。喷嘴位移为xj，经推导可分别得到接收孔与喷嘴的有效覆盖面积f1和f2。

图3 射流放大器结构示意图

结合图2、图3，对流体在射流放大器中的流动过程进行分析。其中，截面S为供油截面，供油压力为Ps，供油速度为Vs；截面i为油液速度达到最大的截面，压力为Pi，油液速度为vi；截面R为接受器左右接收孔压力恢复截面，这时左右接收孔恢复压力分别为P1、P2，压力恢复截面的油液平均速度为v1、v2。忽略射流管与接受器的压力损失，射流管阀前置级区域流体流动过程分为两个阶段：第1阶段为液压油从S截面流至i截面；第2阶段为液压油从i截面流至R截面。同时，两阶段的流体均满足伯努利方程。

根据上述分析并结合具体数学公式进行推导，利用MWORKS.Sysplorer建立射流管放大器压力模型，并对其仿真验证，如图4所示。

图4 射流放大器仿真验证

设定输入压力为21MPa，左右接收孔半径、喷嘴半径均为0.15mm，尖劈长度为0mm，喷嘴位移范围为-0.15mm~0.15mm。其仿真结果如图5所示，得到左右接收孔恢复压强及其压强差，可以看出左右接收孔恢复压强随着喷嘴位移呈对称分布，符合射流放大器工作原理。

图5 射流放大器接收孔恢复压强及压差

2.2 射流管阀建模仿真

利用MWORKS.Sysplorer中的液压组件库、液压元件库、电磁库以及上述射流放大器模型对射流管阀进行建模仿真。

其中，液压组件库、液压元件库和电磁库主要用于航空、船舶、工程机械等领域液压系统的设计、仿真及优化：

    1.液压组件库：包括泵源、执行机构、液压阀类、液压油液、液压附件等模型。用户可以根据相关领域的液压系统原理图搭建仿真模型，用于系统级模型的仿真优化验证。

    2.液压元件库：包括活塞、滑阀阀芯、锥阀阀芯、喷嘴挡板阀芯、控制容积等模型。用户可根据液压柱塞泵、溢流阀、换向阀等液压部件的物理拓扑结构，搭建结构化的液压部件模型，用于部件级设计验证以及液压系统详细设计验证。

    3.电磁库：包括磁体、线圈、磁性元件、传感器等模型。用户可根据需要搭建结构化的电磁部件模型，用于部件级设计验证以及电磁系统详细设计验证。

根据上述原理，建立射流管阀仿真模型：

图6 射流管阀仿真模型

将射流管阀实际参数值(如表1所示)输入到相应的参数面板中完成模型的搭建工作。

表1 力矩马达和衔铁反馈杆主要参数

图7 射流放大器参数设置面板

图8 滑阀先导控制腔初始压力腔设置面板

3 仿真分析

3.1 射流管阀仿真分析

根据射流管阀的工作原理，衔铁反馈杆的旋转阻尼系数对阀芯左右控制腔的恢复压力、喷嘴偏转角度、阀芯位移的动态特性影响较大，因此选择合适的旋转阻尼系数对射流管阀的正常工作至关重要。

以上述射流管阀模型为例，在输入压力为21MP，阶跃电流为15mA，且阀为空载状态，并保持各组件参数不变的情况下对系统进行仿真，将衔铁反馈杆的旋转阻尼系数(单位(Nm/(rev/min)))分别选取为0.0001、0.001、0.005，从而分析不同的旋转阻尼系数对阀芯左右控制腔恢复压力、喷嘴偏转角度、阀芯位移的影响。

图9 不同旋转阻尼系数下阀芯左右控制腔体恢复压力

由图9可以看出，当旋转阻尼系数较小时，阀芯左右控制腔恢复压力响应较慢且振荡幅度较大，达到稳定所需时间较长；当旋转阻尼系数较大时，阀芯左右控制腔恢复压力响应较快，不存在振荡现象，可以更快达到稳定状态。

图10 不同旋转阻尼系数下的喷嘴偏转角度

由图10可以看出，当旋转阻尼系数较小时，喷嘴偏转角度响应较快且振幅波动较大，处于欠阻尼状态；当旋转阻尼系数较大时，喷嘴偏转角度响应较慢，且不存在振荡现象，可以更快达到稳定状态。

图11 不同旋转阻尼系数下的阀芯位移

图12 不同旋转阻尼系数下的阀空载流量

由图11、图12可以看出，随着旋转阻尼系数的不断变大，阀芯位移的响应速度逐渐变慢，阀空载流量响应情况与阀芯位移一致。

从上述仿真结果可知，不同的衔铁反馈杆旋转阻尼系数会影响阀芯左右控制腔恢复压力、喷嘴偏转角度、阀芯位移的稳定性与快速性，而通过仿真有助于选取合适的旋转阻尼系数。

3.2 不同油液介质下流量与压力仿真分析

基于MWORKS.Sysplorer开发的液压介质库，分析油液介质属性变化对射流管阀的输出流量和输出压力的影响。在与3.1工况保持一致，且各组件参数保持不变的情况下，改变油液介质牌号，得到的空载流量与输出压力，如下图所示。

图13 不同油液介质下的空载流量

图14 不同油液介质下的输出压力

从图13、图14可以看出，在油液介质选取不同的情况下，空载流量与输出压力存在差异，因此在模型建立的过程中用户可根据实际情况选取特定的油液介质。

4  总结

本文基于Modelica语言建立的射流管阀模型融合了电磁、液压、控制等多个领域，按照射流管阀物理拓扑结构建立的模型符合射流管阀基本原理，与阀的实际情况更加贴近。文中分别对不同旋转阻尼系数、不同油液介质下的射流管阀模型进行了仿真分析，为射流管阀仿真模拟提供了新的思路。此外，用户可利用MWORKS.Sysplorer软件丰富的模型库和工具箱进一步对射流管阀的其它性能有针对性地进行分析与优化。

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