【HCD库建模实例】充液阀的建模与仿真

充液阀是在高压大流量的液压机中广泛使用的一种阀，用在油缸和油箱之间，起到吸、排油的作用。

以图1为例，当滑块在重力和背压作用下快速下行时，系统提供的流量不足以充填油缸上腔，油缸上腔通过充液阀自动从油箱吸油；当滑块慢进加压时，充液阀关闭，从而防止高压油液反窜回油箱；当滑块快速返程时，控制油口加压打开充液阀，使油缸上腔大流量的油液排回油箱。

图1 充液阀工作示意图

从上述分析可以看出，充液阀本质上是一个大通径、小液阻的液控单向阀。

图2所示为力士乐SF类型的充液阀外形和内部结构图。本文将基于Amesim的HCD库对该阀进行建模仿真，可供学习充液阀以及学习HCD库元件建模的小伙伴们参考。

图2 力士乐SF类型的充液阀外形和内部结构图（详见力士乐样本文件RC 20482，版本：2012-09）

一、模型搭建

通过分析图2所示的充液阀结构，在Amesim中搭建仿真模型图，如图3所示。

图3 充液阀仿真模型图

二、参数设置

参数设置是仿真的一大难点，尤其对在校学生而言，没有太多的工程经验，对要仿真的产品对象缺乏足够的认知，设置仿真参数时往往两眼一抹黑，无从下手。其实，产品厂商提供的样本文件可以作为我们建模的重要参考资料，很多关键仿真参数都可以从样本文件中找到。我们可以通过产品的公司官网或者咨询代理商来获取样本文件。

本文的模型在设置参数时，参考了力士乐的样本文件RC 20482（版本：2012-09）。以SF 125…规格的充液阀为例，通过查阅样本，可以得到该规格充液阀的有用仿真参数（详见样本文件第13页表格）如表1所示。

表1 SF 125…规格充液阀有用仿真参数

根据表1设置充液阀仿真模型参数如表2所示。（注：表2中大部分参数来自表1或通过表1参数计算得到，也有部分参数根据经验取值，末提及的元件子模型及参数均采用默认设置。）

表2 SF 125…规格充液阀仿真模型参数设置

为验证充液阀模型的准确性，本文搭建了含充液阀的液压系统仿真模型，并进行了仿真计算。

一、系统仿真模型

所搭建的含充液阀的系统仿真模型如图4所示。需要说明的是：1）上文提到的充液阀只有一个控制油口X，此系统中充液阀含有两个控制油口X和Y，请大家自行理解它们的差别；2）此系统中，除充液阀以外的其他部分主要用于创造充液阀正常工作的真实工况，用来配合充液阀演出，这些内容不是本文的重点，因此按下不表；3）文末提供了本仿真模型的源文件下载链接，供大家参考学习。

图4 含充液阀的液压系统仿真模型图

二、系统仿真结果

在仿真模式下设置仿真时长为20s，提交运算，仿真结束后提取仿真结果。

图5所示为一个周期内滑块的位移、速度曲线，可以看出滑块运动主要分为三个阶段：快速下行、减速工进、快速回程。

图5 一个周期内滑块运动曲线

图6所示为一个周期内充液阀的主阀芯和控制阀芯位移曲线。在快速下行的前期，控制阀芯处于位移减小关闭的阶段；在快速下行后期，控制阀芯位移减小到0，主阀芯保持一定位移，充液阀处于开启状态；在减速工进阶段，主阀芯位移为0（注意到主阀芯位移存在微小波动，此处不再做更深入分析和改进），充液阀关闭；在快速回程阶段，控制阀芯推动主阀芯运动，使充液阀开启。

图6 一个周期内充液阀阀芯运动曲线

图7所示为充液阀流量曲线。在快速下行阶段，油缸上腔通过充液阀自动向油箱吸油补充油液；在减速工进阶段，充液阀流量为0（注意到充液阀向液压缸提供流量在0附近波动，这主要是由于液压管道内压力波动等原因造成的，此处不再做更深入分析）；在快速回程阶段，油缸上腔大流量的油液通过充液阀排回油箱。

图7 一个周期内充液阀向油缸提供流量曲线

由上述分析可以看出，本文所搭建充液阀模型可以实现吸、排油作用，说明模型的搭建方法是可行的。

大家可以通过以下链接获取本文建模用到的样本文件以及图4案例模型源文件：