液压机械燃油装置的建模方法与仿真技术_W

1、液压机械燃油装置的建模方法与仿真技术在中航工业 606 所的讲课（共 47 页） 王曦北京航空航天大学2014,3,261液压机械控制的基本方法及二个动力学方程 1.1 核心思想（控制腔、运动体、闭环负反馈） 1) 控制腔：以控制腔这一液压放大器通过改变进口节流流量或出口节流流量使得控制腔的压力按照某种规律变化，也即获取了控制压力的主动权。 2) 运动体：这一压力变化通过运动体的作用面积（通常是各种活门或活塞）以力的形式作用在运动体上，通过牛顿第二定律将力的变化转化为运动体的加速度、速度乃至位移发生变化。而这种运动变化的结果恰是人们所期望的控制目标要求。 3) 闭环负反馈：在要求有伺服性的（即

2、输出响应不仅能够准确跟随输入信号的变化，而且这种跟随是具有快速灵敏性的）功能部件中，均有闭环负反馈，采用闭环负反馈不仅保证了部件的伺服功能要求，而且具有抗干扰及抗高频噪声的能力，尽是好处，缺点仅是结构稍为复杂，设计难度增加了一点。有伺服性要求的液压机械部件如：各种传感器（ 传感器、 传感器、 传感器），加速开环控制的小闭环（单回路）， 转速控制的大闭环（单回路）、 开环控制的小闭环（单回路）等。 1.2 两个基本的二个动力学微分方程 就如同发动机工作过程中有加减速过渡态、稳态一样，液压机械装置是以转速的微分方程 这一抽象的数学微分方程准确的描述或把握一样，液压机械系统是由两个基本微分方程描述液

3、压系统的动态特性。 这两个基本微分方程是控制腔压力的一阶微分方程和运动 移的二阶微分方程，如图所示。 控制腔压力的一阶微分方程，规定进入控制腔流量为“+”，出去为“-” 运动 移二阶微分方程，规定作用在运动体上力方向与 x 一致为“+”，与 x 相反为“-” 记住，“一个都不能少” 1.3 液压控制系统原理图分析 1) 首先：要分析系统的运动模块（我们称其为部件，是否相对独立， 完整的能抽象表达为输入输出确定关系的的由凸轮、杠杆、弹簧、活门、活塞、齿轮、齿条、蜗轮、蜗杆、传动轴等这些机械零件及液压控制腔、气压控制腔、薄膜、膜盒、电磁开关阀、占空比阀、电液伺服阀等元件组成） 有几个？每一个功能模

4、块又由哪些元件组成2) 其次：要分析该功能模块是开环，还是闭环若 开环，找出输入参数 ，输出参数 是什么？若闭环，则应找出偏差发生器结构，前向通道由哪些元件组成， 反馈通道又由哪些元件组成？ 3) 再次：找出压力控制腔，和进出该控制腔的各种流量，建立控制腔压力一阶微分方程。4)5) 再再再次：将该部件中的每一元件从信号输入开始，通过各元件输入输出的逻辑关系用信号线连接，并在信号线上方标注“何种物理信号” 6) 最后：检验该工作原理图是否正确。 1.4 建立 AMEsim 仿真平台 1) 首先：按部件的工作原理从信号库、液压库、机械库中选择合适的元件模型，按其逻辑关系即每两个元件之间是按什么信号

5、传递，是力？是运动量 ?是流量？等，用信号连接线连接。 2) 其次：由于每个元件的输入输出信号的传递方向不同（正因为如此,AMEsim 的库非常灵活、丰富、强大）在库中是以不同的类型代号区分的，连接时需要进行信号相容性检查，若不相符，会自动智能的重新匹配。 3) 再次：装入参数 注意初始安装条件，underlap 是相对初始坐标的开度，有间隙为“+”，有重叠为“-” 4) 再再次：设置求解微分方程的解法，精度等，编辑，查表模块需要外部一维二维数据插值表 x.dat 文件 5) 再再再次：Run。6) 最后：就其关心的技术指标将各元件的信号拉出，通过示波器显示的曲线图，分析是否满足要求，否则，检

6、查出错原因，修改参数或模型，重复上述过程。2 实例分析之一：基础篇稳态控制中的温度放大器 一、 两个问题 这次讨论课的内容是 AMESim 建模方法与应用，但是首先我想提出两个问题。 第一个问题，我们为什么要花费一定的精力对我们所研究的对象 进行建模仿真？ 我想，它有三方面的意义。 第一，建立仿真模型，能够使我们更加了解被建模对象的内部结构及特征，这主要体现在当我们的被建模对象实体工作过程中，我们 一般只能测量知道其输入输出状态，并不清楚它内部各个元件的工作 状态。以主燃油控制器中的加速控制器为例，在一段工作或测试过程 中，我们并不清楚或者只能通过输出油量间接推测加速控制器的工作状 态，而通过

7、仿真模型，在相同的输入条件下，我们可以很直观清楚的看 到加速活门在工作过程中的开度大小，在退出工作时的关闭量多少，是 不是具有较高的抗干扰能力。这里所说的抗干扰能力是指，当P2 出现多大的扰动变化时，加速控制活门会由关闭到打开状态。 第二，建立仿真模型，能够使我们在分析故障时拥有一个强有力的工具。由于仿真模型中内部元件工作状态的直观性，针对实际使用 中出现的故障问题，借助仿真模型进行分析能够高效便捷的找到故障 原因所在。 第三，使用模型仿真，可以方便的进行系统改型和重新设计。目 前，数值仿真平台的建立已经成为产品设计初期一项必不可少的工作，它对产品设计、完善、修改、性能提升具有越来越高的意义。

8、这是 我们所要讨论的第一个问题，为什么要进行建模工作。 第二个问题，我们为什么要选择 AMESim 软件作为我们的仿真软件？ 这是我们研究对象的特点、我们的研究目的和 AMESim 仿真软件的重要特点共同决定的。我们的研究对象是机械液压燃油控制器，其中包含机械杠杆元件，液压活塞和作动筒，液压油路、气路、膜盒等众多元件。我们研究目的是研究整个系统和各个元件在工作过程中的主要性能特点及工作状态。AMESim (Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)为多学科领域复杂系统建模仿真平台

9、。用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究众多元件或系统的稳态和动态性能。例如在燃油喷射、制动系统、动力传动、液压系统、机电系统和冷却系统中的应用。它的主要特点是在较小的简化下能够解决多学科领域复杂系统建模问 题，比如，燃油控制器中的机械传动，液压活门运动，电磁阀、电液伺服阀、液压油路、 气路、气动活门等元件的综合仿真。这一特点也 决定了它在建模时对被建模对象进行了一定的简化抽象处理。由于系统的庞大性，这种抽象简化处理在系统级建模中是必不可少的。也就是说，使用 AMESim 建立大系统模型的目的是研究我们所关注的整个系统

10、及各个部件的主要性能特征，具体在我们燃油控制器中作用是研究其 燃油控制性能，导叶调节性能，以及在不同控制过程中，各个元件所处的主要状态。它所不能做的是结构强度分析，流场分析，这些属于有限元分析范畴；同时，它在动力学分析，复杂形体受力分析， 运动过程磨损等方面也不具有优势。这个我们要明确的第二个问题， 为什么要选用 AMESim 软件进行建模，以及 AMESim 具有哪些优点， 又有哪些不能做到的工作。 二、 AMESim 软件基础 明白上述两个问题之后，下面我们开始对 AMESim 的建模过程进行简要的介绍。 上面提到过，AMESim 是多学科复杂系统建模平台，因此 AMESim 中拥有很多基

11、本的元件模型，分类放在不同的库中。包括： 信号库：AMESim 中最基本的元件库，信号是数字仿真的基础。在仿真中，复杂的输入指令，复杂的数 算，二维表的插值调用， 逻辑判断，选择器等都可以使用信号库实现，如图 1。 图 1 信号库 机械库：机械库也是 AMSim 仿真中一个基本库，它包括直线运动和转动两个部分，这两个部分都定义为一维简单运动。机械库的使用主 要是进行简单的一维动力学仿真，一般有运动的系统，均要使用机械 库对运动元件的运动学状态进行动力学建模，如图 2。 图 2 机械库 液压库：液压库主要给出了一些简单液压系统中的一些模型，包括简化 转接头、油箱、压力源、流量源、流量传感器，压力

12、传感器，简化溢流阀、减压阀、带旁路单向阀、固定节流孔、可变节流孔、油滤、简化齿轮泵、容腔、作动筒、管路、n 位 n 通阀等。液压库所包含的元件能够实现液压系统自身的一般性建模工作，如图 3。 图 3 液压库 液压组件库：液压组件库是液压控制系统建模中最为重要的一个元件库 之一，其主要提供液压系统中液压活门建模的常用组件，这些组件使液 压系统与机械系统能够进行交互式仿真。下图中的这些元件的示意图均 为剖面图，它们按功能上来分主要分为受力腔和阀孔控制元件两类。从 衬套固定与否也分为衬套固定和衬套可移动两类，如图 4。 图 4 液压组件库 气体库：与液压库相类似，如图 5。 图 5 气体库 气体组件

13、库：与液压组件库相类似，如图 6。 图 6 气体组件库 热-液压库：在液压库的基础上考虑了燃油的热量问题，在机械液压调节器工作过程中，燃油会在经过燃油泵、节流孔等组件时参数热量， 同时活门和活塞运动产生的热量也将传递给燃油，这都会使燃油的温度升高。使用热-液压库能够更加真实的反应这一过程，然而要真实的反应这一过程必定需要更多的参数与数据，系统也必然更加复杂， 这也为建模带来了一定的难度。这一问题最终是要根据建模目的来 定， 如果建模的目的就是研究系统工作过程中热量产生的大小，燃油温度会升高多少，那必须使用带有热量的元件库；相反，如果认为系统的产生的热量可以不做考虑，只是研究系统的普遍性能，那么

14、是需要使用普通的 元件库即可。另外 AMESim 模块中，考虑热量的元件库中元件不能和没考虑热量元件库中的元件连接，因此在决定建模初期就要决定要建立的系统是否要考虑热量。热-液压库与液压库的建模方法基本一致，如图7。 图 7 热-液压库 热-液压组件库：与液压库的建模方法基本一致，考虑了燃油的热量 及散热，如图 8。 图 8 热-液压库 AMESim 仿真过程分为 4 个步骤： 1. Sketch mode (草图模式)：将实际研究对象简化抽象为 AMESim中的对应合适的模块并合理的连接在一起。 2. Submodel mode (子模型模式)：对各个所选用的各个模块选择合适的子模型。 3.

15、 Parameter mode (参数模式)：为选用的各个 AMESim 模块设置相应的结构参数。 4. Simulation mode (仿真模式)：设置仿真参数，包括仿真时间， 仿真误差，仿真步长设置等，然后进行仿真。 下面以温度放大器为例详细说明这 4 个步骤 由于目前飞机飞行包线非常宽广，发动机在包线内工作时，进口 温度变化较大。进口温度的变化必然导致发动机需油量的改变。因此 发动机控制器必须引入温度修正。温度修正器由温度传感器、温度放 大器和温度凸轮构成。其主要作用是使发动机在全包线工作范围内都 能保证正常的工作。 温度传感器由螺旋毛细管式填充温度敏感元件、带油液温度补偿 装置的压力

16、控制活门组成。它将温度信号转换成与温度成比例的工作 油压信号输送到温度放大器分油活门的左端。温度传感器(温包)的油 压输出结果如表 1.表 1温度信号（）和工作油压（Mpa）的关系 T1-68-60-45-30010152030Pt0.270.290.340.400.500.540.560.5780.61T14555606570758095100Pt0.670.6860.720.740.7550.770.790.8430.86T1105120130135145165180185210220Pt0.880.930.970.981.011.081.131.151.241.26温度放大器将温度信号放

17、大并转换成执行机构齿轮的转动，进而 带动温度凸轮转动，对控制器的给定油量进行调节。例如，发动机进 口温度 升高，分油活门左端压力增大，套筒左移开大放油孔，带齿 活塞左腔油压下降而左移，带动齿轮顺转；同时也带动反馈杠杆反转， 反馈杠杆使分油活门左移关小放油口，带齿活塞左腔油压回升，活塞 左移速度减慢并很快达到与右腔油压和放松了的弹簧力相平衡。 如图 9，温度放大器由分油活门、套筒、活塞杆上带齿条的齿条活塞、反馈杠杆等组成。套筒套在分油活门上，套筒的外边作用着稳定 的低压腔油压，外边还作用着弹簧力，里边作用着与温度成比例的温度 液压分压器的分压。分油活门左端作用着压力控制活门来的油压， 右端与反馈

18、杆相连，在反馈作用下左右移动。 带齿活塞左右腔的油压分别由两个液压分压器控制。右腔作用着 以 0.5 定压油为油源的固定压力(无弹簧力)；左腔作用着由套筒控制分油活门放油口的以定压油为油源的分压器的分压。带齿活塞由套筒 和分油活门控制左腔油压，以控制活塞的左右运动。反馈杆将带齿活 塞和分油活门连接，将带齿活塞的移动反馈到分油活门，改变分油活 门上的放油孔开度，使带齿活塞运动速度减慢并很快稳定下来。 图 9温度放大器结构原理图 根据图 9 给出的结构原理图，要进行第一步 Sketch mode (草图模式)， 首先需要分析这个系统中有几个可以独立运动的元件，即之间没有杠杆等硬链接结构(中间仅有弹

19、簧连接可以认为是可以相对独立运动)。建立AMESim 模型时，一般一次选择一个独立运动元件系统，每一个独立运动的元件系统，在 AMESim 中都会对应一个质量模块。如图10。 图 10 质量模块 质量模块在 AMESim 的作用是中计算活门的运动情况,这是阀芯运动中最为基本和核心的计算，其中包含的运动学方程如式 1。 (1)在图 10 中，自左向右所适用的情况分别为：1. 仅有一个受力接口的质量模块；2. 带有两个接口的质量模块；3. 带有一个接口且含有固定摩擦和阻尼力的质量模块；4. 带有两个接口且含有固定摩擦和阻尼力的质量模块；5. 带有两个接口含有固定摩擦和阻尼力且带有两端位移限制的质量

20、模块(最经常使用)；6. 带有两个接口且含有可变摩擦和阻尼力的质量模块； 通过分析可知，本温度放大器中独立运动的部件分为两部分。一 部分为套筒，另一部分为分油活门，反馈杠杆和活塞组成的元件系统。 首先选取套筒元件为对象，先在 AMESim 中拿出一个质量元件(图10 中右 2)。选出质量元件之后，紧接着要分析该元件的受力，受力分析时，阀芯环形腔的受力暂时不分析(一般情况下，环形腔两端面 的受力平衡，可以认为互相抵消)，有图 9 可知，套筒左端作用着油液压力和弹簧力，右端作用着油液压力。在 AMESim 中仿真这些液压弹簧力，需要使用液压组件库中的元件。AMESim 中液压力计算模块通常使用的模

21、块如图 11。 图 11 液压力计算模块 在图 11 中，这些模块都是界面图，下端管壁中的竖线为油路接口(认为油路从这个接口进入了液压力计算模块)。另外在图 11 中各元件的简图中，阀芯上作用的箭头方向为液压力的方向，两侧的衬套认为是位置固定，阀芯上的细横杆两端可以与其他运动部件连接，可以传递力，位移，速度等信号。图 11 中四个元件分别的应用情况是：1. 仅有一端(右端)受到了液压力的作用，左端没有液压力的作用；2. 与 1 的试用范围相同，但是相对于 1,2 更合适用于阀门的端部，1 更适合用于阀门中间；3. 右端带有液压力并且计算合力时叠加上弹簧力， 适用于带有压簧的阀芯端合力的计算；4

22、. 右端带有液压力并且计算合力时减去弹簧力，适用于带有拉簧的阀芯端合力的计算； 从上述分析可知，衬套左端作用着油液压力和弹簧力，右端作用着油液压力，因此应选用模块如图 12。 图 12 油液压力模块选用 受力分析完成后，要对滑阀中的控制节流孔进行分析，首先分析有几个节流孔，存在哪些开关情况，一般来说，除分油活门外，一个节流孔仅有一端阀芯的凸台面控制开度。从图 9 上分析，套筒本身并没有节流孔，但是它的运动情况直接决定了分油活门上节流孔的开度大小。因此必须建立分油活门所在的独立运动系统的模型后才能决定分油活门上节流孔的开度。下面对分油活门所在的独立运动系统进行分析。通过图 9 可知，分油活门和活

23、塞通过杠杆连接一起运动，因此本系统中首先需要一个质量块。然后分析受力，活塞左端作用着油液压 力，右端作用着油液压力(无弹簧)，另外还有杠杆给活塞的作用力； 分油活门左端作用着油液压力，右端作用着油液压力和杠杆对其的作用力。根据上述对液压力计算元件的分析，上述系统在 AMESim 中的受力和运动仿真应如图 13。 图 13 受力与运动仿真结构 紧接着分析该运动系统中存在的节流孔个数，存在哪些开关情况。通 过分析可知该运动系统中仅仅只含有分油活门上一个节流孔，其开度情 况由套筒和分油活门的运动共同决定。这就要对 AMESim 中节流孔大小计算模块进行分析。AMESim 中节流孔计算模块有如下两大类

24、， 分别如图 14、15。 图 14 节流孔大小计算模块第一类 图 15 节流孔大小计算模块第二类 第一大类与第二大类的却别在于，第一类中所有的阀壁衬套都是固定的；第二类中所有的阀壁衬套都可以移动，即可以由其他元件的 移动所决定。在对液压控制系统进行仿真中，最为常用的为左端第 2和第 4 个。第 2 个元件仿真的是圆形节流孔的开度变化情况；第 4 个元件仿真的是不规则节流孔的开度变化情况。其他元件可以通过AMESim 中的 Help 文档了解其适用范围。节流孔计算元件放入到系统中时，需要注意的一个重要问题是 要选择正确的方向，即阀芯和衬套不同运动情况时，节流孔开度大小的变化要与实际情况相一致。

25、 以图 15 中左 2 元件为例，其下端衬套上的两个中间带有细线的小孔为油液接口，右端的连接孔为常开孔，即无论阀芯和衬套运动到何种情 况，这个连接孔均为全开状态；左孔与右孔通过元件内部连接，左端的连接孔的开度大小受到阀芯和衬套的运动情况影响。在图 15 的 左 2 元件的放置方向中，阀芯向右移动，节流孔开度减小；反之，阀芯向左移动，节流孔开度增加。衬套向右移动，节流孔的开度增大； 反之，衬套向左移动，节流孔的开度减小。另外一个重要问题是节流孔 大小计算元件接入后，系统受力情况 乱了，他、从图 14、15 中可知，节流孔大小计算元件中有一个油液压力计算的小箭头，说明该元件 计算了一端的油液压力，

26、由于在分油活门中，节流孔处的受力为左右两端相等，互相平衡，因此不能直接将节流孔计量元件加入系统中。一般我们在使用节流孔大小计算元件时，总是会在它对面加上一个力平衡元件，即图 11 中左 1 元件，两个元件组成的合系统如图 16。从本系统的分析来看，可知节流孔大小计算元件要使用图 15 中 左 2 元件。 图 16 节流孔大小计算元件与力平衡元件 图 16 中，将两个元件的油路接口相连接的目的是保证两元件内部 的油液压力相等，在两元件油液作用面积相同时，则它们的受力可以 相互抵消。将其放入到系统中的方向和连接情况如图 17。 图 16 受力和节流孔计算元件连接图 完成上述步骤后，将剩余的接受力信

27、号的端点用 0 力源元件连接。0 力源元表示该端口接受的力为 0。由于上述过程中受力分析中已经分析完全了，所以只要在空余的端口加入 0 力源元件即可。 图 17 受力分析与节流孔计算元件连接完成 完成受力分析和节流孔大小计算元件之后，下一步工作是油路连接。油路的连接主要是根据原理图上油路的分布，将不同的油路连接 到相应的液腔，主要使用液压元件库中的元件，连接后如图 18。 图 18 油路连接后 AMESim 仿真结构图 液压元件库中，最常用的为压力源，前者压力参数设置 在内部，最多可以有 8 段变化参数；后者接受外部输入信号， 其大小作为压力的大小输出，单位为 bar。为回油箱元件，压力为 定

28、值。 为转接头，相当于实际中的四通管接头。 为固定节流孔， 可以设定节流孔的大小，也可以设定为 Q/方式。这是上面模型中用到的模块，油路的连接直接在接口附近点击即可。液压元件库中的 其他元件，请通过 AMESim 中 Help 文件了解其特点及适用情况。另 外，AMESim 仿真中，一个更为重要的是，它表征了系统使用油液的相关特性。一般来说，进行液压仿真时，第一步首先要放入这个 元件。另外如果要进行气路仿真，第一步相应的要放入元件 。至此，Sketch mode (草图模式)已经完成，下面进入第二步， Submodel mode (子模型模式)。进入第二步后，仿真模型中各个元件 会出现较深的背

29、景颜色。当第一步中，各模块选择合适时，第二步时， 点击自动生成子模型按钮，则各个元件都会自动生成相应的子模型， 深色背景将消除。若本步骤时，某一个元件深色背景没有消除，则说明该元件没有合适的子模型，这时要分析第一步中各个元件的选用是否合 适。 当第二步中各元件子模型都选择合适时，则可以进入第三步 Parameter mode (参数模式)。本步骤主要是进行仿真参数的设定。 在衬套左端的带弹簧的油液压力计算元件 中，参数设置表如图 19 。 图 19 带弹簧的油液压力计算元件参数表 此元件主要需要的元件尺寸为图 19 中的 3-7 项，3-7 项分别为：活塞直径；活塞杆直径；弹簧刚度；基准位置弹

30、簧的压紧力；基准位置活 塞腔的长度。根据设计图纸，将这些尺寸填入每项中得到如图 20。 图 20 根据设计图纸填写的带弹簧的油液压力计算元件参数表这类元件都可以按这种方式填写。 纯油液压力计算元件，的填写参数类似，如图 21。 图 21 纯油液压力计算元件参数表 这类元件需要填写的参数为 2-4 项，分别为活塞直径；活塞杆直径； 基准位置的活塞腔直径。这三个量均可以通过设计图纸获得，此处不再赘述。 质量元件 需要填写的参数如图 22。 图 22 质量元件中需要填写的参数 在图 22 中，需要填写的为 3-9 项，分别为：独立运动系统的质量； 运动阻尼系数；风阻系数；库伦摩擦力；静摩擦力；最低位

31、移限制； 最高位移限制。其中，风阻系数可以设为 0，液压系统中阻尼系数一般设为 15。摩擦力要根据实际情况来确定。最低和最高位移限制， 是在当前基准位置的基础上，以质量元件 上的箭头方向为正， 向正方向可以移动的最大位移为上位移限制；向反方向可以移动的最大位移为下位移限制。 杠杆元件 中需要输入的参数为杠杆两段中的臂长，如图 23。具体指代可以通过 help 查询。 图 23 杠杆元件参数图 节流孔大小计算元件中需要填写的参数如图 24。 图 24 节流孔大小计算元件需要填写的参数 需要填写的参数项为 2,4,5,6,9,10,11,12。分别表示:节流孔在一周上的个数；活塞直径；活塞杆直径；

32、节流孔的直径；基准位置处节流孔的 开度大小；节流孔的最小开度(一般为 0)；节流孔的最大开度(一般为直径大小)；基准位置处活塞腔的长度。这些参数可以根据设计图纸 查询得到，此处有一个基准位置概念，这个概念表明，建模时每个元 件所处的相对位置关系，一般来说选择安装位置，或者设计工作点位 置作为基准位置。基准位置确定以后，系统系统中各元件的位置就确 定下来了，节流孔的初始开度也就确定下来。 第三步工作完成之后，就可以进入第四步Simulation mode (仿真模式)出厂测试要求=0Mpa 为 0 基准时，当时，活塞位移应为 ；当 时，活塞位移应为 。根据出厂测试要求进行仿真，得出仿真结果如表

33、3，仿真曲线如图 6。根据仿真结果可知，温度修正器 AMESim 仿真模型满足要求。 表 3 温度修正器仿真结果 调整温度放大器活塞行程 Pt1=0.34MPa1.70.2mm 1.64mm 合格Pt1=1.26MPamm20.12mm合格图 25 温度补偿器 AMESim 仿真曲线 3 实例分析之二：加力控制 3.1 摆锤活门组件 组成：波纹管、真空波纹管、杯形件、摆锤活门、调整弹簧、反馈弹簧、温度补偿器。如图所示。两波纹管中间由固定于壳体上的硬心 连接，两端固定于杯形件中。杯形件与摆锤活门固定于一体，摆锤活门 上端悬挂于壳体的支点上，可左右摆动。杯形件左端连接调整弹簧，调整弹簧另一端连接固

34、定于壳体上的温度补偿器。杯形件右端连接着反 馈弹簧，弹簧另一端连接计量活门。 原理： 摆锤活门原理图 摆锤活门平衡时，应处于中立位置，两个对称膜盒可以抵消外部 的作用力。两摆锤活门有相等的初始开度，但开度相反，其中一个开 大另一个就关小。 波纹管感受压力为P2”的空气，P2”=f（P2，T1） 其中，P2 为高压压气机出口压力，T1 为发动机进口温度。 当P2”升高，波纹管膨胀引起杯形件摆锤活门绕支点向右摆动， 改变两摆锤活门开度，左摆锤活门关小，右摆锤活门开大，从而使计量活门的活塞左腔的回油量增加压力降低，右腔的回油量减小压力升高。使计量活门左右两腔产生压差轴向移动，改变计量活门的开度， 从

35、而控制加力燃油量。 建模： 对杯形件进行受力分析，杯形件受左右两端弹簧力、波纹管变形后由刚度产生的弹力、P2”引起的波纹管膨胀产生的作用力。杯形件和摆 锤活门绕支点转动，所以用旋转体建模，分别求各个力的力矩， 考虑杯形件摆锤活门的转矩。力矩方向按逆时针为正。模型的输入为P2”， 输出为计量活门的位移 piston movement。仿真结果如图所示。 摆锤活门建模 摆锤活门 P2”与活门位移对应的仿真曲线 3.2 一区计量装置 组成：计量活门，压差控制器，弹簧、调整螺钉。如图所示。如图所示。 原理： 一区计量活门原理图 根据流量公式，式中 、为常数，当保证 P1-P2 为定值时，流量只与计量活

36、门形孔面积 A 成正比。 计量活门靠最右端活塞的左右两腔的压力移动，进而改变计量形孔的面积A。 一区计量装置工作时，压差控制器左端作用着计量活门前油压P1，右腔的回油被切断，油压与计量活门后油压 P2 相等，同时还作用着弹簧力，弹簧控制计量活门前后压差，弹簧的预紧力与压差力是一对平衡力相等。工作时弹簧长度有少量变化忽略不计。当计量前油压P1 升高时，计量前后压差增大，压差活门右移，压差活门节流孔面积关小，使憋压腔 P2 即计量后油压升高，同时压差活门右腔压力升高， 最终使压差活门停止移动，忽略弹簧长度的变化，弹簧力没有变，则 压差也没有变。 建模： 计量活门计量形孔为不规则孔，其面积计算采用根

37、据活门位移差值求出流量的方法，如图中所示的活门可以调用插值表。通过螺钉调 整压差活门右侧弹簧的预紧力来调整计量活门前后压差。 一区计量活门建模 压差活门前后压差仿真曲线 一区计量活门位移与流量对应的仿真曲线 4 实例分析之三：喷口控制 4.1 液压延迟器 4.1.1 分析液压延迟器的功能是在加力时以与油门杆移动速度无关的速率， 将油门杆的操纵量转变为喷口控制器和加力燃油控制器的控制指令， 确保喷口面积与加力燃油流量同步变化。原理图如下： 1 ）从结构上来看： 图 1液压延迟器原理图 整个液压延迟器部分有两个运动件。第一个部分为带杆活塞和加力泵接通活门整体（两者相连共同运动）；第二个部分为下端壳

38、体中安装的最小加力顶杆和应急关断加力顶杆整体（两者相连共同运动）。 2）从油路上来看： 带杆活塞的上腔是一个定压腔（非控制腔），红色的定压油经一个固定节流孔进入带杆活塞的上腔，同时经由一个固定节流孔回油，形成一个进口不变、出口也不变的液压分压器，定压腔的油压大于回油压力小于定压油压力，实际上节流孔匹配后的压力大约为半定压油压力，同时 C23 是一个层板节流器，可以调节带杆活塞的运动速度。 带杆活塞的下腔为控制腔。红色的定压油经一个固定节流孔进入带 杆活塞的下腔，并通过活塞杆上的中心孔和由滑套控制的回油孔放一 部分回低压腔，相当于进口不变，出口可变的液压放大器。 当NM4 和NM5 都不接通的时

39、候，应急关断加力活门下腔通回油， 上腔为红色的定压油，上腔压力远大于下腔压力，最小加力顶杆和应急关断加力顶杆运动整 于壳体最下端。 当 NM5 工作时，定压油进入应急关断加力活门下腔，通过固定节流孔和上端的环槽回油上腔也为定压油。由于下腔液压力的作用面积 较大，因此整个运动件上移，进一步关小了环槽回油的面积，更增大 了进入应急关断加力活门下腔的压力，应急关断加力顶杆在活塞下腔 油压作用下上移并推动小加力顶杆一起上移至极限位置，带杆活塞下 腔不能回油，带杆活塞一直上移至最上位置，导致加力被切断。 当NM4工作时，定压压油经过NM4和环槽凸边小孔构成的进口节 流嘴通往小加力顶杆活塞的下腔，同时通过

40、应急关断活塞的中心孔油一 个固定节流孔回油，因此相当于一个进口可变，出口不变的液压放大器。在油压的作用下，最小加力顶杆向上运动，并关小凸边小孔的开度，与 出口节流嘴共同工作，使得下腔作用力与上腔作用力平衡， 使小加力顶杆停在一个固定的位置。 而这些正是AMEsim 建模所要分析的最关键部分。液压机械系统建模的理论基础为以下的两个公式： dv = 1F dtmdp = b (Q- Q)dtVinout在这个基础上，我们就可以在 AMEsim 模块中找到对应的模块来建立液压延迟器的模型。 对于每个运动件，我们分析它的受力，明确其控制腔和非控制腔， 控制腔压力的大小由液压放大器实现，可变节流孔一般通

41、过运动件的位移改变来改变开度。 对于液压延迟器来说，其中一个难点是带杆活塞的下腔出口的可变节流孔是由两个可变节流孔串联而成的，一是由最小加力控制活门 与带杆活塞内小孔组成的可变出口；二是由液压延迟器滑块与带杆活 塞外小孔组成的可变出口。而这也将两个独立的运动件联系起来，形成了一个整体。注意滑阀上的节流孔对于运动件来说，只产生流量的 变化，不产生力的作用。 因此液压建模的一般步骤为： 1） 确认可独立运动部分，一般为阀芯，使用AMEsim 机械库中的质量块元件。 2） 确认有效受力面，使用 HCD 库的容腔元件模拟受力面。 3） 确认可变流通面积。一般使用 HCD 库的滑阀模块模拟。 更精确的建

42、模时，也要考虑可变容积（反映了液体的压缩性），泄漏等。 为了更加接近工程实际，在建模时加入实际系统中的调整钉。 整体的仿真模型如图 2，模型文件为 YanShou_3_4.ame，另外图 3、图 4 是两个运动件分别的模型。 4.1.2 工作原理图 2液压延迟器 AMEsim 模型 液压延迟器按照油门杆的操纵、最小加力电磁活门（NM4）和应急关断加力电磁活门（NM5）的指令工作。 (A) 油门杆移动时液压延迟器的工作 油门杆在慢车位置时，滑套完全盖住活塞杆上的回油孔，活塞下腔油压大于上腔，带杆活塞处于最上端，加力泵接通活门沟通了加力泵进 门的回油路，同时断开PT 修正接通活门的回油路。此时加力

43、泵进 门和PT 修正接通活门不工作；传动齿轮停在起始位置不 操纵喷口控制器程序机构和加力燃油控制器程序机构。当油门杆向加力域移动时，滑套随着同下移动，开始不打开活塞杆上的回油孔移动一段距离后打开回油孔，活塞下腔的油压下降，活塞带动加力泵接通活门下移，同时关小回油孔，直至活塞上下重新受力平衡。油门杆到达加力功率前，加力泵和PT 修正接通器斜置齿条不工作， PT 在4.67之间变化。油门杆达到6164度， PT 修正接通活门沟通回油， 斜置齿条工作，PT 在6.47之间变化。油门杆达到7375度，加力泵进门开始断开回油路，加力泵工作，同时通过活塞杆上的齿条带动传动齿轮转动，将油门杆的指令分别传送给

44、喷口控制器程序机构和加力 燃油控制器程序机构，分别操纵液压限动的喷口面积和加力供油。 当油门杆在加力域内移动时，如 门，滑套继续下移，带杆活塞跟着下移，油门杆指令通过传动齿轮分别传送给喷口控制器程序机 构和加力燃油控制器程序机构。 由上所述可以看出，液压延迟器根据发动机油门杆的位置，同步地操纵喷口控制器程序机构和加力燃油控制器程序机构，保证喷口和加力供油操纵的协调一致，同时，液压延迟器带杆活塞的下移速度， 控制了加力的加速过程，保证了发动机的稳定工作。 (B) 接通最小加力电磁活门和应急关断加力电磁活门（NM5）时， 液压延迟器的工作 最小加力电磁活门（NM4）通电时，定压油经电磁活门通往小加

45、力顶杆活塞的下腔，小加力顶杆上移至活塞下腔部分外露通回油，顶杆受力平衡的位置，顶杆堵住了带杆活塞下腔的回油孔，活塞只能下移到部分打开回油孔、活塞重新建立受力平衡的位置上，活塞处于相应于油门杆在小加力的位置，加力泵接通活门、喷口控制器程序机构、 加力燃油控制器程序机构都处在相应于小加力的位置。 应急关断加力电磁活门工作时，定压油经应急关断加力电磁活门通往应急关断加力顶杆活塞下腔，应急关断加力顶杆在活塞下腔油压 作用下上移并推动小加力顶杆一起上移至极限位置，带杆活塞下腔不能回油，带杆活塞一直上移至最上位置，加力被切断。 4.1.3 调试根据调试大纲查液压延迟器： 1 ）在a Pyp =7080 度

46、时和a Pyp =110117 度时，aF 与a Pyp 相差不超过 1 度。可用蜗杆C25 调。 2）在aPyp=117 度时，NM4 供电，aF =78-80 度。可用衬套 C26 调。断电后aF =117 度。 3）在aPyp=117 度时，NM5 供电，aF =70 度。 输入信号a Pyp 02s 为 64 度，25s 为 70 度，510s 为 80 度，1015s 为 110 度，1535s 为 117 度。NM4：2025s 打开；NM5：3035s 打开 仿真结果如图 6，符合以上三条。 图 6 aF 随a Pyp 的变化以及 NM4 和 NM5 工作时的特性 整个液压延迟器

47、的可调量有：C22，C26, C25，C28，C231) 若C22 增大，则T 接通活门开度增大，加力泵接通活门开度减小。转换活门的参数按尺寸链装入，C22 调到一定值，同时满足T 接通活门和加力泵接通活门随油门杆打开的条件。 2) 液压延迟器输出信号与油门杆信号的跟随精度使用蜗杆 C25 和C28 调。 3) 调大 C26，最小加力顶杆上的环槽开度将变大。 4) 调整C23，可以改变带杆活塞的运动速度。 4.2 涡轮落压比PT 调节器 4.2.1 分析功能为保持设定的涡轮落压比PT = P 2 / P4 。由膜片、带喷嘴挡板的杠杆、反馈弹簧、给定弹簧及作用于膜片的弹簧组成。还包含空气减 压阀

48、，产生一个减压后的压力作用于膜片上端，膜片下端通涡轮后燃 气压力。 喷嘴挡板活门、带分油活门的活塞、比例反馈装置，组成带比例反馈的喷嘴挡板式液压放大器。它将薄膜两端气体压力差按比例放大 为分油活塞位移。分油活门和喷口作动筒组成分油活门式液压放大器，由分油活门控制喷口作动筒活塞腔的进油和回油，控制作动筒位 移，改变喷口面积，控制落压比。 本部分的液压部分主要是分油活门，分油活门下腔直接通定压油， 为非控制腔；而这路定压油经一个固定节流嘴进入分油活门上腔，并通 过喷嘴挡板和分油活门中心孔经由滑套控制的可变节流孔两路回油， 因此分油活门上腔为控制腔，是一个进口不变，出口可变的液压放大器， 当差动机构给出的信号导致滑套位置变化或者薄膜上腔压力变化都会导致此腔的压力变化，导致分油活门移动，进而使作动筒移动，改变喷口面积。由于落压比的调节为闭环调节，并且由于反馈拉簧部分形成的小闭环，因此调节结束后分油活门都会回到中立位置， 而实际上由滑套控制的回油只在分油活门下移收喷口的过程中起作用，相当于一个最小喷口面积的液压限制钉。 图 7 落压比控制器原理图 2.1 建模与调试 具体建模过