1.Ansoft与AMESim联合仿真

Ansoft电磁场仿真精度比较高，可以进行零件结构的参数化仿真，可以设置特定磁性材料的磁化曲线，基于这些特点在比例电磁铁装配图的基础上建立仿真模型，对一些对性能影响较大的结构参数如极靴尖角、极靴台阶深度，安匝数等进行参数化仿真，仿真目标是使比例电磁铁具有良好的位移力特性，电流力特性等，实现结构参数的优化。

AMESim系统建模与仿真软件在液压仿真方面以及系统建模方面具有较强的优势，利用三通阀设计部分确定的阀的结构以及主阀本身的结构在AMESim中建立仿真模型，将一系列设计参数以及主阀的参数导入到仿真模型中，在此模型的基础上，对设计参数进行优化，并探讨系统的特性。

Ansoft与AMESim联合仿真的思想是：AMESim的元件库中虽然具有电磁元件子库，但是由于其没有电磁场仿真的能力，也就是说单单在AMESim中建立的三通比例减压阀系统的仿真模型没有办法直接判断电磁铁结构参数对整个系统的影响，但是AMESim的电磁铁子模型提供了性能调用接口，可以从外部导入代表电磁铁性能的二维数据文件F（x，I）和L（x，I），其中F（x，I）代表的是电磁铁推力关于气隙x和安匝数IN的二元函数，L（x，I）代表的是电磁铁线圈电感关于气隙x和安匝数IN的二元函数L（x，I），电磁铁子模型在读入这两个二维数据表格后，会进行合理的插值处理从而得到可以完整描述电磁铁特性的子模型。这两个二维数据文件F（x，I）和L（x，I）可以从Ansoft的参数化电磁场仿真中得到，进行合理的处理后导出可供AMESim直接的调用。这种方法综合了这两个仿真软件的优势，即Ansoft的面向物理模型的精确电磁场仿真和AMESim的系统建模仿真，尤其是在设计像三通比例减压阀这种既含有电磁场设计问题又含有液压系统设计问题时，尤为方便准确。

（1）Ansoft中仿真模型的建立 图5-6是比例电磁铁的装配图。

图5-6 比例电磁铁装配图

1—推杆 2—极靴 3—外壳 4—线圈 5—骨架 6—放气螺钉 7—弹簧挡盖 8—推销弹簧 9—应急推销 10、10′—滑动轴承 11—限位片 12—衔铁 13—承压套 14—导磁套

由于电磁铁的结构是轴对称的，在Ansoft中只需沿其对称轴画出一侧的模型即可。装配图中的非导磁材料构成的零件由于其对于电磁场的影响极小，几乎等同于空气，因而这里把其作为背景处理，并在材料设置时背景设置为空气，实践证明这样的做法对于电磁场仿真结果几乎没有影响。仿真模型中的材料设置，除了铜以外，其他部分设置为电工纯铁DT₄C，虽然DT₄C并不存在于Ansoft自带的材料库中，但可以通过设置材料的方式来添加，且可以自定义磁性材料的B-H曲线。

设置好边界条件后，对求解区进行网格划分。首先添加几何模型的划分点，得到粗略的初始网格划分之后，利用网格细化功能对材料的边界、极靴尖角、工作气隙等处进行网格细化（见图5-7），这样可以提高推力的求解精度。图5-7是转化为Ansoft的二维仿真模型的有限元网格划分。

为了对比例电磁铁的重要结构参数进行参数化仿真，在其模型中添加了图5-8所示的C₁、C₂、C₃这样的几何约束。其中，C₃取不同值用来产生位移从而可以仿真位移力特性曲线；C₂即为极靴台阶深度，它的重要性及对位移力特性产生的影响在第4章中进行过讨论，C₂这个约束用来对台阶深度进行参数化仿真；C₁的调整用来对极靴尖角θ进行参数化仿真。另外还设置了变量参数C₅来调整线圈的安匝数。

图5-7 仿真模型的有限元网格划分

图5-8 添加几何约束

（2）Ansoft中的仿真分析

1）极靴结构参数的优化设计。

将C₂取3～5之间的若干数值，C₁取2～4之间的若干数值，将C₃在0.1～3.5之间均匀取若干数值，这样可以形成由不同的C₁、C₂、C₃组成的表格，每一行就是仿真的一步，得到每一步的仿真结果后可以对数据排序和分析。下边以C₁=3.4的仿真数据来分析，安匝数初设为600安匝。

图5-9是台阶深度3.4mm时不同极靴尖角的仿真，在这簇曲线中，C₁=3.6具有相对好的位移力特性和相对比较长的水平段，因此当C₂=3.4时，C₁=3.4（θ与C₁是一一对应的）是较好的极靴尖角尺寸。

图5-9 台阶深度3.4mm不同极靴尖角的仿真

图5-10是从多组仿真曲线中的两组最优曲线拿出来放到一起比较。可以明显地看出台阶深度对于水平段的推力大小及水平段长度的影响，台阶深度3.4mm与2.8mm的仿真曲线相比，推力大了3N左右，而水平段位移却小了0.5mm左右。所涉及的电磁铁的行程为2mm，C₂=2.8mm的水平行程长度也基本满足，那么为了减小安匝数，就将C₂=2.8mm和C₁=3.6mm作为最优设计尺寸。为了研究需要，在制作样品时将以上两组参数的结构都制作成样品，以供试验研究。在仿真中的初选参数为安匝数IN=600，此时最优参数的推力仿真只有21N左右，期望的推力是25N，所以这里通过调整安匝数来调整推力大小，而一般安匝数的调整是不会对位移力特性产生太大的影响的，经计算将安匝数调整为IN=700。

图5-10 台阶深度2.8mm与3.4mm最优值的比较

2）衔铁与导磁套的间隙δ₁的研究。

衔铁和导磁套的间隙对于滞环以及推力大小是有影响的，如果间隙过小会导致滞环过大，所以间隙要略大一些，但是显而易见大的间隙会加大非工作气隙δ₁的宽度，从而减小推力。这里将这个气隙作为一个研究参数进行了仿真（见图5-11）：

水平段的力的大小，δ₁=0.02mm对应的推力约为24.1N，δ₁=0.04mm对应推力约为23N，δ₁=0.1mm对应值为21N，虽然δ₁=0.1mm间隙的推力比0.04mm小了3N，但是此时的滞环会大幅度减小，所以在这样程度上加大这个气隙是很有必要的，其减小的推力可以通过加大安匝数来进行补偿，因此将此气隙的设计值选为δ₁=0.1mm。

图5-11 衔铁和导磁套的间隙研究

3）检验优化后的模型并生成联合仿真需要的数据表格。

将以上经优化设计的参数C₂=2.8mm，C₁=3.6mm，δ₁=0.1mm，IN=710安匝加入到仿真模型中进行位移力特性、电流力特性的仿真，求出推力关于位移、电流的二维图表F（x，I），并利用Ansoft带有的求解电感的功能，求出电感关于位移、电流的二维图表L（x，I）。

图5-12是上述最优结构参数的位移力特性仿真结果，考虑到最大控制电流是0.75A，期望在最大控制电流时推力是25N，而700安匝的仿真结果就是25N，所以700安匝就对应了0.75A，因此匝数取940，图中的500安匝是为了显示中电流时的仿真曲线。

图5-12 最优结构参数的位移力特性

图5-13显示的是在气隙为1.7mm处的电流力特性，从仿真来看其线性度还是比较好的。研究气隙为1.7mm的电流力的原因如下：比例电磁铁的设计行程为2mm，从图5-13中可以看到选择气隙0.8～2.7mm作为工作行程是比较理想的，即从结构上利用限位来使电磁铁工作在0.8～2.7mm内。而在这种情况下，当阀芯处于零位的时候，电磁铁的气隙是1.7mm，此时的电流力特性决定了比例阀的稳态调压特性，而其他气隙处的电流力特性的线性度也是比较好的，与1.7mm气隙处相似。

图5-13 气隙1.7mm处电流力特性

在参数化仿真的数据中提取AMESim电磁铁子模型所需要的二维数据文件F（x，I）和L（x，I），为了更加明确的表示，这里用三维曲线的方式给出推力和电感关于气隙和电流的二元函数（见图5-14和图5-15）。

关于图5-15要做出以下分析：从图中可以看到电感L随着气隙的减小总体上是增加的（但在小气隙处有所波动），随着电流的增加先略微增大然后减小。关于第一点是因为在气隙减小的情况下同样增加相同的电流会产生更多的线圈铰链的磁链Ψ_m，而根据电感的定义可知此时的电感（实际上是指线圈的自感）增大。关于第二点是因为随着电流的增大磁性材料的磁导率先增大然后减小，磁链Ψ_m也会有相应的变化，也就是说这是由磁性材料的非线性所引起的，以上两个数据文件的文本格式可以供AMESim电磁铁子模型调用。

图5-14 推力关于气隙和电流的二元函数

图5-15 电感关于气隙和电流的二元函数

（3）AMESim中仿真模型的建立 利用AMESim的模型库搭建了三通比例阀控制主阀的模型（见图5-16），并且将之前涉及的参数导入，并调用由Ansoft产生的二维数据文件。

图5-16 三通比例阀控主阀的AMESim仿真模型

图5-16中的左上角和右上角分别是控制主阀左右两腔压力的三通比例减压阀，三通比例减压阀又分为电磁铁和三通减压阀部分，下边是主阀的模型，这些部分在图中用线框标出。

在比例电磁铁的部分中，用的是信号子模块的PWM波模块来提供电磁铁的驱动。三通阀A口的出口处设置了可调阻尼用来消除压力冲击，主阀的结构为弹簧对中式。

（4）AMESim系统仿真分析 为了单独的研究比例电磁铁的动态，搭建了如图5-17所示的仿真模型，质量M按照衔铁和三通阀阀芯的总质量设置，并设计了合理的库仑摩擦力和粘滞摩擦力，弹簧刚度设置为阀芯复位弹簧的刚度，给电磁铁一个阶跃电压来研究电磁铁的输出力的动态响应。图5-18是衔铁输出推力和衔铁速度的变化情况。

图5-17 比例电磁铁仿真模型

图5-18 衔铁输出推力和衔铁速度

从图5-18中可以看出电磁铁的推力随时间的变化规律，刚开始以较高的速度上升，然后随着衔铁速度的提高电流有所下降，进而导致推力下降，等到衔铁到达了止端，电流会以接近一阶系统阶跃响应的形式上升，而力和电流的趋势是完全一样的。在推力的上升—下降—上升三个阶段中，虽然两个上升阶段很接近一阶系统阶跃响应，但事实上并不是一阶系统，因而它的时间常数是随着衔铁位移和电流的变化而变化的，所以可以明显看出第二个上升阶段的时间常数要大一些，因而此时的电感最大。对于中间一段的下降，利用电磁铁动态下的线圈电压的公式可以做出解释：

式中表明线圈电压U由线圈电流、感抗和动生电动势三部分组成，在上述的推力的三个阶段中，两个近似的一阶上升环节正是由感抗的作用而产生的，而第二个阶段的下降就是由于衔铁的运动速度较高、电感的变化较快，产生了较大的动生电动势而导致了线圈电流有所下降。

（5）三通比例减压阀动静态仿真 图5-19是PWM驱动的三通比例减压阀的仿真模型。

在负载口的出口设置了一个阻尼是为了在控制主阀时隔离液压振动，在仿真三通阀自身特性的时候，这里将阻尼设置为0mm。首先在0.5～10.5s的时间内将占空比从0均匀地增加到100%，变化趋势和力的趋势比较相似，在占空比接近50%附近的压力波动比较大，这就显示了在负载口和主阀的一腔之间设置阻尼的必要性。另外将一个周期内的波形进行放大，见图5-20的右图，三条曲线分别是零开口、正开口和负开口三种情况下的压力波动，可以看到正开口的压力波动最大，然后依次为零开口和负开口。

图5-19 PWM驱动的三通比例减压阀模型

图5-21仿真了三种阀口形式在驱动电压为50%的占空比，负载口流量为零开口时P口到负载口的泄漏量，由于此时被控主阀基本不运动，所以称为稳态工作点，此时的泄漏量简称为稳态泄漏量。从中可以看到负开口的稳态泄漏最小，其次是零开口和正开口。对于三通比例减压阀，稳态工作点的泄漏量是一个重要参数，因为在工作的大部分时间里三通阀阀芯处于零位，结合图5-21中显示的负开口阀的压力波动较小的特点以及图5-22显示的负开口稳态泄漏最小的特点，选择负开口为阀口的开口形式。

当控制电压的占空比从0阶跃到100%时，进行仿真负载口的压力动态响应曲线：三种开口形式的响应特性略有不同但是相差极小，响应曲线的上升时间在20ms左右，有超调的存在且超调量在10%左右，通过50ms的调整时间进入稳态。结合图5-18电磁铁的阶跃响应特性可知，压力阀的阶跃特性主要由电磁铁的电压阶跃响应特性决定，而电磁铁的电压阶跃特性又主要由线圈的电感所决定，考虑到线圈的电感与其本身的匝数成平方关系，所以线圈的匝数是压力阀响应特性的一个重要参数，因而减小匝数提高电流是提高比例压力阀动态特性的重要手段。但这种方法受限于线圈温升以及漆包线的绝缘能力，然而使用大电流小匝数的比例电磁铁仍是现在设计高速比例电磁铁的重要方法。

图5-20 三种阀口形式的调压特性仿真曲线

图5-21 三种阀口形式的压力阶跃响应

图5-22 三种阀口形式的稳态工作点泄漏

当三通比例减压阀工作在减压状态时，随着流量的加大，液动力会增大，同时P-A的开口会增大，也就是比例电磁铁的气隙会减小，可以通过调整比例电磁铁的结构参数使比例电磁铁的推力随着气隙的减小有相应的上升，从而补偿液动力的增加。而当三通比例减压阀工作在溢流状态的时候，随着溢流量的增大，液动力也会增大，同时A-T的开口也会增大，电磁铁的气隙会增大，因为液动力方向的趋势是阀口关闭，当气隙增大时只需使电磁铁推力减小就可以补偿液动力。综合以上两种工作状态，都是要求比例电磁铁在气隙增大时推力变大才能补偿液动力，正是这种一致性使通过调整比例电磁铁位移力特性来补偿三通比例减压阀的液动力成为了可能。

首先研究位移力接近于水平的电磁铁驱动下的压力流量特性以及液动力与位移的变化曲线，然后通过Ansoft软件来确定比较合适的尖角进行补偿。

图5-23中显示了水平的位移力特性下的压力流量特性，在流量达到7L/min时负载口的压力相对于零流量时下降了2.5bar左右，此时阀芯的位移接近0.5mm。图5-24显示了液动力关于阀芯位移的函数，在0.5mm的位移范围内液动力增加了将近3N，而且具有较好线性度，而这也有利于通过位移力特性来补偿液动力。

图5-23 P-A压力流量特性

图5-24 液动力关于阀芯位移的函数

图5-25是C₁尺寸为2.6mm（极靴尖角减小后）在电磁铁有效行程内的仿真，为了更加有效地补偿液动力，这里将电磁铁的有效行程设为0.6～2.6mm气隙，也就是最小气隙比之前减小了0.1mm。图中位移力明显上翘，可以有效地补偿随着气隙减小而增加的液动力。与之前相同，将Ansoft形成的二维数据文件F（x，I）和L（x，I）导入AMESim，通过压力流量特性仿真对液动力补偿的效果进行验证。

图5-25 极靴尖角减小后位移力特性仿真

图5-26中是将C₁尺寸修改为2.6mm后压力流量特性仿真结果，点划线和实线分别是补偿前后的特性曲线，从图中可以看到通过补偿压力，流量特性得到了大幅度的改善，当P-A的流量在0～7L/min的范围内变化时，A口的压力下降很小，在0～0.5bar之内，比之前大有改善。这种方法对于溢流功能也有相似的液动力补偿作用，这种新的液动力补偿方式具有很好的应用前景。

图5-26 液动力补偿前后压力流量特性比较

（6）三通比例阀控主阀系统动静态仿真 主要研究主阀位移对电磁铁控制信号的稳态响应、阶跃响应以及负载口到主阀芯控制腔阻尼的作用。图5-27中显示了在不同的占空比下主阀芯的稳态位移，因为主阀的阀口有2mm的死区，主阀芯的位移最大为8mm，所以只研究这个区间内的稳态特性，从图中可知主阀阀芯位移对于比例电磁铁输入信号的占空比具有很好的线性度，达到了比例控制的预期目的。

图5-27 主阀阀芯对于控制信号的稳态响应

图5-28中的三条曲线依次为占空比分别为25%、50%和75%控制信号下主阀芯位移的阶跃响应，图中有效控制范围为2～8mm，用与横轴平行的两条粗线表示。在1s的时候将阶跃信号设置为0，图中显示了阀芯复位的曲线。从中可以看到几个特点：25%控制信号下主阀芯位移最快达到稳态，此时通过主阀的流量也达到稳态；75%控制信号下主阀芯到达稳态的时间最长约为0.4s左右。阀芯复位的动态响应的特点与上升比较相似，也是25%控制信号最快而75%控制信号最慢。

图5-29中的实线显示了负载口的压力变化，曲线有较大的超调和波动，但经过设置在主阀控制腔之间的阻尼后，有效消除了压力超调以及波动（图5-29中的曲线2），使负载的压力平稳上升且没有压力超调。但是这个阻尼的存在一定程度上影响了主阀芯移动的快速性，因而其值要设置合理，这里选择为0.8mm，可以达到主阀响应快速性与稳定性的协调。

图5-28 主阀阀芯位移动态响应

图5-29 负载口压力及主阀控制腔压力比较

2.三通比例减压阀实验研究(www.daowen.com)

对电磁铁样品和三通比例减压阀样品进行试验研究，并与Bucher产品进行实验对比。

（1）比例电磁铁实验台的搭建

1）比例电磁铁实验台的硬件如图5-30所示。

图5-30 比例电磁铁实验台机械结构

1—电磁铁 2—力传感器 3—调整螺母 4—数字千分尺 5—底板 6—调整丝杆 7—定位螺钉 8—定位槽

调整螺母和调整丝杠用来调整力传感器的位置，从而得到电磁铁在不同输出位移下的输出力，从而可以描绘位移力特性曲线。力传感器的量程为-100～100N，输出信号为-10～+10V的模拟量，其非线性误差、滞后误差以及重复性误差均小于0.3%。调整螺母采用螺距为1.5mm的细牙螺纹，便于实现精确的位移调整；数字千分尺采用容栅传感器、大规模集成电路进行信号处理，可以直接显示也可以通过RS232串口与计算机通信。比例电磁铁的驱动器采用HAWE公司的EV1G1—24型比例控制放大器，输出24V频率可调的PWM波，频率调节范围为50～200HZ。

图5-31显示了比例电磁铁实验台的数据传输过程，力传感器的输出信号经压力变送器放大，经数据采集卡的A/D转换通道进入计算机，其中数据采集卡采用的是研华的PCI—1710。数字千分表具有串口通信功能，可直接将测试获得的信号传入计算机。利用LabVIEW平台编写数据处理程序，使测试的数据可直接处理并显示。PCI—1710数据采集及控制卡可以输出0～5V的模拟信号作为比例控制放大板的控制信号，利用此模拟量输出端可以实现斜坡信号的输出用来测试静态特性，以及阶跃信号的输出用来测试电磁铁的动态阶跃响应。

图5-31 比例电磁铁实验台的数据传输原理

2）基于LabVIEW平台的电磁铁试验台测试软件。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据指令以及语句的先后顺序决定程序的执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，用图标表示函数，用连线表示数据流向。LabVIEW的程序称为VI，每个VI都有前面板和程序框图，前面板中有显示控件和控制控件，用于显示数据和实现控制功能，程序框图在后台进行数据的流动和处理（见图5-32）。

所设计的电磁铁实验台测试软件主要包括位移力特性测试、电流力特性测试以及力的动态阶跃特性测试三个子模块。位移力特性测试程序的前面板如图5-33所示，从中可以看到程序具有同时读取并显示位移和推力、位移归零、设定位移步长、保存测试数据以及读取历史测试数据进行比较的功能。这些功能之所以可以同时等待触发是因为在后台的程序框图中设置了循环控件嵌套事件控件的结构，当某个前台的按钮按下时该动作所对应事件分支就会被触发，从而执行对应分支的程序内容。

图5-32 LabVIEW的前面板和程序框图

（2）比例电磁铁实验结果及分析 比例电磁铁实验包括位移力特性测试、电流力特性测试和阶跃响应测试三部分：

1）位移力特性测试。

按照确定的设计参数C₂=2.8mm、C₁=3.6、δ₁=0.1mm、N=820匝等加工样品，并在比例电磁铁试验台上进行实验，实验结果如图5-34所示。在750mA的控制电流时，比例电磁铁的输出力在23N左右，位移力特性滞环在1.5N范围以内，有效行程内推力的变动在4N以内。在500mA的控制电流下，比例电磁铁的输出力在13N左右，位移力特性滞环在1N以内，有效行程内推力的变动在2.5N以内。500mA之下的滞环明显小于750mA下的滞环也验证了之前对于PWM波占空比对于滞环影响的讨论，即占空比越接近50%，则控制电流中的交流成分越大，则滞环越小。

图5-33 位移力特性测试程序前面板

图5-34 样品位移力特性曲线

图5-35将Bucher产品的实验结果与样品实验结果在同一图中进行特性比较：两者的位移力特性以及滞环大小都非常接近，不同之处是样品的力相对Bucher产品的推力略小2N左右，而这个不同并不影响样品的使用，因为只要将控制电流的占空比略微增大即可达到相同的推力。

图5-35 样品与Bucher产品位移力特性的比较

图5-36显示了位移力特性实验与仿真的比较，在同样结构下，实验的推力比仿真的推力略小且位移力特性有下降的趋势。这主要是因为仿真中的磁性材料磁性设置中是按照国标对于电工纯铁DT₄C的退火特性设置的，实际上经过机加工后材料的磁导率有所下降，尽管进行了恢复磁性的退火，但是很难达到国标的要求。因为材料磁导率的下降对于尖角磁通的影响较小，而对于主磁通的影响较大，根据第4章中关于比例电磁铁位移力特性机理的讨论得知实际的推力随气隙的减小会有下降的趋势。

2）电流力特性测试。

图5-37是在10s的时间内均匀地将电磁铁的控制电流从0增大到750mA的电磁铁输出推力变化曲线，所测试的是气隙在1.5mm时的电流力特性。将250mA到750mA作为有效的控制电流，可以看到比例电磁铁在阀处于稳态的情况下，输出推力在这一段时间内具有比较好的线性以及比较大的颤振力，用来消除静态摩擦和减小磁滞环。

图5-36 实验与仿真位移力特性比较

图5-37 样品电流力特性

图5-38 样品电流力滞环

为了较好地研究比例电磁铁的电流力滞环，在30s时间内均匀地将电磁铁的控制电流从0增大到750mA，再均匀地减小到0，对得到的结果进行低通滤波，截止频率选择为30Hz，这样是为了更加明确地分析电流力滞环，结果如图5-38所示，从图中可知样品电磁铁的电流力滞环在3N以内。

图5-39中显示了电流力特性的仿真结果与实验结果的比较，实验的推力比仿真推力小了大约4N，这种差别仍然是实际磁性材料的磁导率达不到国标中的要求所造成的，这种推力的差别可以通过修正安匝数来弥补推力的不足。

图5-39 样品电流力仿真与实验比较

3）推力的阶跃响应。

图5-40给出了阶跃电压的波形以及样品和Bucher在阶跃电压下推力的响应。

图5-40 样品与Bucher产品阶跃特性对比

其中的阶跃电压波形是通过测试线圈两端电压得到的，而这个电压是通过板卡产生阶跃电压给比例控制放大器的控制电压端产生的。实验中衔铁的位置都是在气隙最小的点也就是电感最大的点，也就是说此时的响应速度是最慢的。样品的阶跃响应上升时间为150ms左右，而Bucher产品的阶跃上升时间为120ms左右，两者的差别主要是因为线圈阻抗的不同而造成的。这样的上升时间应该说在电磁铁中都是比较慢的，是因为这个电磁铁的应用场合是在汽车起重机上，而对于电磁铁的快速性要求相对较低。

图5-41是样品的仿真与实验的阶跃特性的对比，两者有很高的吻合度，从而验证了电磁铁仿真模型的正确性，另外也验证了利用Ansoft与AMESim共同仿真的方法的准确性。

图5-41 仿真与实验阶跃特性对比

（3）三通比例减压阀实验

1）三通比例阀实验大纲的制定。

JB/T 10367—2002中有关于减压阀的测试标准，主要针对的是普通的先导式减压阀；另外GB/T 15623.1—2003中有关于比例方向流量阀及比例压力阀的测试标准，但是并没有直接关于三通比例减压阀的测试标准。本文根据以上两个国家标准制订了本样品测试的试验大纲，实验台原理见图5-42，具体内容见表5-1。

图5-42 三通比例减压阀实验台原理图

1-1—液压泵电机组 2-1、2-2—溢流阀 3-1、3-2、3-3、3-4—压力表 4-1、4-2、4-3—换向阀 5-1、5-2—液控单向阀 5-4、5-5—单向阀 6—调速阀 7-1、7-2—流量计 8-1、8-2—压力传感器 9—被试阀 10—节流阀

表5-1 三通比例阀实验大纲

以上测试内容的制定针对一个普通三通比例减压阀，本文设计的三通比例减压阀有其特殊的特性，比如进口压力恒定、大部分时间工作在稳态等，所以本文所涉及的实验只包括了调压特性、压力流量特性、压力阶跃响应以及中位溢流量等。

2）三通比例阀实验台的搭建。

阀实验台的外观见图5-43，测试阀块见图5-44。

图5-43 阀实验台外观图

图5-44 测试阀块外观图

可以按照图5-43将阀的实验台分为动力源、主回路与先导回路三部分。动力源采用双联叶片液压泵，在1500r/min的电动机拖动下流量分别为16L/min和2L/min，分别为主回路和先导回路供油，液压泵能够承受的最大压力为10MPa，可以满足测试系统的需要。先导回路主要是为两个液控单向阀提供油压和控制。液压系统中的阀及压力表则按照压力、流量及量程进行合理的选取。流量计采用齿轮式流量计，量程为0.02～18L/min，可以利用其较小的流量范围测试A口流量为零时的泄漏量，而利用较大的流量范围测试P-A以及A-T的流量；流量计输出的是数字脉冲，可以利用数据采集板卡上的计数器进行计数并通过计算后在计算机上实时显示流量。

图5-44为测试阀块的外观图，正中间为被测阀，两边是压力表、压力表开关，用来测试P口和A口的压力，后边是两个压力传感器，用来测试P口和A口的压力并将数据传到数据采集板卡，三个阀口P、A、T通过软管与主回路相连。

在阀实验台的测试程序编写中，阀压力阶跃响应与电磁铁的力阶跃响应的程序相近，均是主要说明测试调压特性的程序。

调压特性的测试方法是在30s的时间内使三通比例减压阀的控制电流从0均匀增加到750mA，然后再均匀减小到0。在硬件上首先把比例控制放大器的最小电流调整到0，最大电流调整到750mA，那么0V的控制电压就对应了0电流，5V的控制电压就对应了750mA。

3）三通比例阀实验及分析。

①调压特性实验。

图5-45 样品调压特性曲线

样品调压特性的实验结果见图5-45：

当电流从0～800mA变化的时候，A口控制压力从0～21MPa之间变化（为了便于分析，已经对测试结果进行了低通滤波）。图中只在0～300mA之内电流力有较大的死区和滞环，这主要是由以下两个原因造成的：一是比例电磁铁的推力在电流较小的时候随电流的增加较慢，主要是因为磁性材料的初始磁导率比较小；二是阀芯与阀体以及电磁铁滑动副的静摩擦较大，而此时的液压力以及电磁力都较小，所以导致了较大的滞环和死区。

图5-46为Bucher产品的调压特性曲线。将之与图5-45比较来看，300mA以下的部分的死区和滞环都比样品的要好，而300mA以上的部分无论是线性度还是滞环两者都相差不大。若是用300mA以上的部分作为控制信号，可以认为两者的静态控制特性相差不大。从图中还可以看到同样的控制电流下Bucher产品的A口压力要略微大于样品，这可以通过修改控制程序或是增加匝数来调整，因而也对控制特性影响不大。

图5-46 Bucher产品调压特性曲线

另外比较图5-45和图5-20可知实验中的死区以及线性度都较好地验证了仿真曲线，但是在300mA以下的部分两者差异较大，主要是仿真中对于静摩擦的处理比较理想，因而不太符合实际情况，但总体上仿真还是具有较好的指导作用。

②压力流量特性。

压力流量是测试P-A或A-T有一定流量通过的时候，A口压力的变化。图5-47是样品的压力流量特性曲线，零流量的右侧是工作在减压状态下的情况，左侧是工作在溢流状态下的情况。无论是减压状态还是溢流状态下，在流量为2L/min的时候压力与零流量相比都在3bar以内，达到了预期的设计目的。

图5-48显示了样品与Bucher产品的压力流量特性曲线的比较，两者的压力流量特性比较相近，参照图5-35就不难理解这种相似，因为两种阀的比例电磁铁的位移力特性十分相近，而同样流量下的液动力也是十分接近的，因而两者的压力流量特性也十分相近。

图5-47 样品压力流量特性曲线

③A口的压力阶跃特性试验。

A口的压力阶跃特性的测试方法是将比例控制放大器控制电压从0阶跃到4.5V，则比例控制放大器的输出电压也是接近于理想的阶跃信号，其上升时间在几毫秒之内，所以这里认为是理想的阶跃信号。此时得到的A口压力的动态过程就认为是对于阶跃电压信号的响应。结果如图5-49所示。

图5-48 样品与Bucher产品压力流量特性曲线比较

图5-49 样品与Bucher产品电压阶跃响应特性比较

从图中得知样品与Bucher产品对电压的阶跃响应都有20ms的纯滞后，这可能是静摩擦力的存在而导致的。两者阶跃响应的上升时间比较相近，为100mA左右，在上升的过程中都有一段比较缓，因为衔铁的运动导致的感应电动势所致。两者比较大的不同在于Bucher产品的调整过程比较长，需要经过几个周期后才进入稳态，而样品比较快地进入稳态，这主要是因为样品的阻尼比较大，可能是因为阀芯与阀体的动摩擦相对较大以及衔铁的通油孔较小所致。在下降的过程中同样是因为样品的阻尼比较大导致了压力的阶跃下降过程的时间较长。

④A口零流量时的泄漏。

经测量，样品在A口零流量时P口到T口的流量为15mL/min，而Bucher产品为37mL/min。这主要是因为样品的阀口形式为负开口，负开口的阀口形式有助于减小泄漏量。