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摘 要：纯水液压技术具有安全、环保等优势，在煤矿、食品、造纸等领域有着良好的发展前景。本文建立了先导式纯水溢流阀的数学模型，经相关参数计算在Simulink中构建了主阀的Simulink仿真模块，选取入口阻尼孔径、弹簧刚度、阀芯质量和阻尼这四个参数，通过Matlab/Simulink进行仿真，得到不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线。仿真结果表明：阻尼孔直径、弹簧刚度对主阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
关键词：先导式纯水溢流阀；主阀；动态特性；仿真
中图分类号：TH137.52 文献标识码：A
前言
纯水液压技术是基于环境友好和可持续发展的新技术，是国内外液压界研究热点之一，在煤矿、食品、造纸等领域有着良好的发展前景。纯水溢流阀是纯水液压系统的关键元件之一，由于该类阀以纯水为介质，带来了富有挑战性的新问题。本文通过Matlab/Simulink仿真，得到不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线，表明了阀入口压力随参数变化的各种情况，研究了参数变化对工作稳定性和可靠性等的影响。本文的研究结果对于研制先导式纯水溢流阀、保障系统及设备的安全性具有一定的参考价值。
1 建模及传递函数方块图
本文按照先导阀和主阀仿真模块分开的方式进行仿真。先导式纯水溢流阀的结构原理如图1所示。
3 动态特性的Matlab/Simulink仿真及分析
3.1 仿真参数设置
建立导阀和主阀的Simulink仿真模块后，打开Simulation(仿真分析)菜单，在结构菜单中选择Configuration Parameters选项来设置仿真参数进行仿真。本文的仿真参数设置如下：
仿真时间的设置。State Time(开始时间):0.0，Stop Time(停止时间):30。
解算器类别和类型的选择。Type(类型)：选择Variable-step(变步长)， Solver(解算器)：选择ode45(四阶、五阶Runge-Kutta算法)。
仿真步长的指定。Max step size定为0.1，Min step size、Initial step size保持为auto。
仿真精度的定义。定义Relative tolerance为1e-3,Absolute tolerance保持auto。
3.2 主阀的仿真及分析
构建相应的传递函数方块图之后，通过相关的一系列参数计算便可在Simulink中建立导阀和主阀的Simulink仿真模块。在主阀仿真模块中，设定输入源p2为1MPa，QS为40L/min。在仿真时计算相关参数值，将其代入主阀的Simulink仿真模块，即可得到相应的动态仿真结果。
图3 不同阻尼孔径时主阀入口压力曲线
图4 不同弹簧刚度时主阀入口压力曲线
如图3所示，为不同主阀阻尼孔径时的主阀入口压力曲线图。图中显示了D=1mm、D=1.5mm、D=2mm三组数据的仿真结果。由图可看出：随着主阀中的阻尼孔直径增大，主阀的入口压力随之增大，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。当D=1mm时，峰值时间tp约为4秒，最大超调量Mp为10％；当D=1.5mm时，峰值时间tp小于4秒，最大超调量Mp为7％；当D=2mm时，峰值时间tp约为3秒，最大超调量Mp为2％。
如图4所示，为不同主阀弹簧刚度时的主阀入口压力曲线图。图中显示了K1=10N/cm、K1=20N/cm、K1=30N/cm三组数据的仿真结果。由图可看出：随着主阀中弹簧刚度的增大，主阀的入口压力随之减小，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。当K1=10N/cm时，峰值时间tp大于4秒，最大超调量Mp为12％；当K1=20N/cm时，峰值时间tp约为3.5秒，最大超调量Mp为7％；当K1=30N/cm时，峰值时间tp小于 3秒，最大超调量Mp为6％。
图5 不同阀芯质量时主阀入口压力曲线
图6 不同阻尼时主阀入口压力曲线
如图5所示，为不同主阀阀芯质量时的主阀入口压力曲线图。图中显示了M=0.05kg、M=0.1 kg、M=0.2kg三组数据的仿真结果。结果表明：随着主阀阀芯质量的增大，主阀的入口压力基本不变，超调量、响应时间变化不大，稳定性和快速性没有得到提高。峰值时间tp在 4秒左右波动，最大超调量Mp基本上稳定为12％。主阀阀芯质量的改变对先导式纯水溢流阀的动态特性无特别显著的影响。
如图6所示，为不同主阀阻尼时的主阀入口压力曲线图。图中显示了 、 、 三组数据的仿真结果。结果表明：随着主阀阻尼的增大，主阀的入口压力基本不变，超调量、响应时间变化不大，稳定性和快速性没有明显变化。峰值时间tp在 4秒左右，最大超调量Mp基本上稳定为12％。主阀阻尼的改变对先导式纯水溢流阀的动态特性无特别显著的影响。
由上可知，在先导式溢流阀的设计过程中，主阀的阻尼孔直径、主阀弹簧刚度对阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
4 结论
1．由主阀的传递函数方块图，通过相关的一系列相关的参数计算便可在Simulink中建立纯水溢流阀主阀的Simulink仿真模块，通过Matlab/Simulink仿真，可得不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线，它表明了阀入口压力随参数变化的各种情况。
2．选取主阀入口阻尼孔径、弹簧刚度、阀芯质量和阻尼这四个参数进行仿真。仿真结果表明：
1）阻尼孔直径、弹簧刚度对主阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
2）主阀阻尼孔直径增大，主阀的入口压力随之增大，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。
3）主阀弹簧刚度增大，入口压力随之减小，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。
参考文献
[1] 弓永军．纯水液压控制阀关键技术研究[D]．杭州，浙江大学，2005
关键词：先导式纯水溢流阀；主阀；动态特性；仿真
中图分类号：TH137.52 文献标识码：A
前言
纯水液压技术是基于环境友好和可持续发展的新技术，是国内外液压界研究热点之一，在煤矿、食品、造纸等领域有着良好的发展前景。纯水溢流阀是纯水液压系统的关键元件之一，由于该类阀以纯水为介质，带来了富有挑战性的新问题。本文通过Matlab/Simulink仿真，得到不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线，表明了阀入口压力随参数变化的各种情况，研究了参数变化对工作稳定性和可靠性等的影响。本文的研究结果对于研制先导式纯水溢流阀、保障系统及设备的安全性具有一定的参考价值。
1 建模及传递函数方块图
本文按照先导阀和主阀仿真模块分开的方式进行仿真。先导式纯水溢流阀的结构原理如图1所示。
3 动态特性的Matlab/Simulink仿真及分析
3.1 仿真参数设置
建立导阀和主阀的Simulink仿真模块后，打开Simulation(仿真分析)菜单，在结构菜单中选择Configuration Parameters选项来设置仿真参数进行仿真。本文的仿真参数设置如下：
仿真时间的设置。State Time(开始时间):0.0，Stop Time(停止时间):30。
解算器类别和类型的选择。Type(类型)：选择Variable-step(变步长)， Solver(解算器)：选择ode45(四阶、五阶Runge-Kutta算法)。
仿真步长的指定。Max step size定为0.1，Min step size、Initial step size保持为auto。
仿真精度的定义。定义Relative tolerance为1e-3,Absolute tolerance保持auto。
3.2 主阀的仿真及分析
构建相应的传递函数方块图之后，通过相关的一系列参数计算便可在Simulink中建立导阀和主阀的Simulink仿真模块。在主阀仿真模块中，设定输入源p2为1MPa，QS为40L/min。在仿真时计算相关参数值，将其代入主阀的Simulink仿真模块，即可得到相应的动态仿真结果。
图3 不同阻尼孔径时主阀入口压力曲线
图4 不同弹簧刚度时主阀入口压力曲线
如图3所示，为不同主阀阻尼孔径时的主阀入口压力曲线图。图中显示了D=1mm、D=1.5mm、D=2mm三组数据的仿真结果。由图可看出：随着主阀中的阻尼孔直径增大，主阀的入口压力随之增大，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。当D=1mm时，峰值时间tp约为4秒，最大超调量Mp为10％；当D=1.5mm时，峰值时间tp小于4秒，最大超调量Mp为7％；当D=2mm时，峰值时间tp约为3秒，最大超调量Mp为2％。
如图4所示，为不同主阀弹簧刚度时的主阀入口压力曲线图。图中显示了K1=10N/cm、K1=20N/cm、K1=30N/cm三组数据的仿真结果。由图可看出：随着主阀中弹簧刚度的增大，主阀的入口压力随之减小，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。当K1=10N/cm时，峰值时间tp大于4秒，最大超调量Mp为12％；当K1=20N/cm时，峰值时间tp约为3.5秒，最大超调量Mp为7％；当K1=30N/cm时，峰值时间tp小于 3秒，最大超调量Mp为6％。
图5 不同阀芯质量时主阀入口压力曲线
图6 不同阻尼时主阀入口压力曲线
如图5所示，为不同主阀阀芯质量时的主阀入口压力曲线图。图中显示了M=0.05kg、M=0.1 kg、M=0.2kg三组数据的仿真结果。结果表明：随着主阀阀芯质量的增大，主阀的入口压力基本不变，超调量、响应时间变化不大，稳定性和快速性没有得到提高。峰值时间tp在 4秒左右波动，最大超调量Mp基本上稳定为12％。主阀阀芯质量的改变对先导式纯水溢流阀的动态特性无特别显著的影响。
如图6所示，为不同主阀阻尼时的主阀入口压力曲线图。图中显示了 、 、 三组数据的仿真结果。结果表明：随着主阀阻尼的增大，主阀的入口压力基本不变，超调量、响应时间变化不大，稳定性和快速性没有明显变化。峰值时间tp在 4秒左右，最大超调量Mp基本上稳定为12％。主阀阻尼的改变对先导式纯水溢流阀的动态特性无特别显著的影响。
由上可知，在先导式溢流阀的设计过程中，主阀的阻尼孔直径、主阀弹簧刚度对阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
4 结论
1．由主阀的传递函数方块图，通过相关的一系列相关的参数计算便可在Simulink中建立纯水溢流阀主阀的Simulink仿真模块，通过Matlab/Simulink仿真，可得不同参数时的主阀入口压力的动态响应曲线，它表明了阀入口压力随参数变化的各种情况。
2．选取主阀入口阻尼孔径、弹簧刚度、阀芯质量和阻尼这四个参数进行仿真。仿真结果表明：
1）阻尼孔直径、弹簧刚度对主阀的输入输出特性影响较大，其余因素影响较小。
2）主阀阻尼孔直径增大，主阀的入口压力随之增大，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。
3）主阀弹簧刚度增大，入口压力随之减小，响应时间随之缩短，稳定性和快速性得到提高。
参考文献
[1] 弓永军．纯水液压控制阀关键技术研究[D]．杭州，浙江大学，2005