基于AMEsim HCD库三位四通换向阀建模原理及参数讲解

本文探讨在AMEsim仿真软件中利用液压元件设计库进行三位四通电磁阀的草图设计和参数的讲解，当然，在利用AMEsim进行液压系统设计和仿真过程中，也可直接利用Hydraulic（液压）库进行三位四通电磁阀的选定。不过这种标准液压库内置换向阀无法匹配实际的阀芯结构、遮盖量、流量特性的精细化仿真需求。所以利用HCD（Hydraulic Component Design，液压元件设计库）是非常重要的。HCD库是采用结构“积木式”建模思想，本文通过液压元件设计库设计一个三位四通电磁阀能更好地理解该阀的结构和工作原理。

本文选定的阀体是三位四通O型（中位）电磁换向阀

阀体本体：三段阀芯结构，左右两端为电磁铁驱铁
油路接口：下方公共油口：P进油口，接液压泵压力油
中间油口：T回油口，直接回油箱
左右两个上油口：A、B工作油口，外接负载
中位（无信号）：P、T、A、B四口全部封死
右侧电磁铁得电：P通A、B通T
左侧电磁铁得电：P通B、A通T

三位四通O型电磁阀标准液压库图标（在无信号时，A、B、P、T四个油口全部封闭）

利用HCD库设计时，主要是用BAO012元件（spool with annular section orifice，带环形节流窗口的阀芯）

BAO012元件示意图

BAO012元件外部变量接口示意图

端口1、2：元件下面两个端口，每一个端口统一传递三组物理量：流量、容积、压力，这两个端口就是一对进出油道，阀芯左右移动后，阀口开度会发生改变，两个油口的通流面积改变，从而控制两者间流量大小。

端口3：向外输出液动力（油路压力作用在阀芯上的反推力）和受到外部的速度和位移（电磁铁推力、弹簧力作用在阀芯上的运动信号）

端口4：向外输出速度和位移，向内输入力，端口3、4本质是阀芯左右两侧的机械对接面，阀芯是一个刚体，3、4的位移、速度必须保持一致。

将四个ABO012元件如下图组装：

HCD库组装的三位四通电磁阀草图

无信号时，A、B、P、T四个油路都是堵死的

模拟右侧电磁阀通电时，阀芯左移，P、A互通供油，B、T互通回油

模拟左侧电磁阀通电时，阀芯右移，P、B互通供油，A、T互通回油

（要求能够复位还需加装弹簧、质量系统）

其中，ABO012元件参数如下：

index of hydraulic fluid（液压油索引号）：选择液压油介质编号。

spool diameter（阀芯直径）：滑阀阀芯圆柱外径。用于计算节流通流周长、稳态液动力、射流力、阀的节流面积公式核心几何参数。

rod diameter（阀杆直径）：阀芯两端推杆直径。当阀芯两端存在承压面积差时，用来计算阀芯轴向液压力。

maximum flow coefficient（最大流量系数）：节流流量公式中的流量系数Cq​。范围一般 0.6~0.8，你设置 0.7 是常用经验值。控制通过阀口的实际流量大小，直接影响系统响应速度。

critical flow number（临界流量数）：判断阀口流动状态：层流 / 湍流分界阈值。高于临界数：湍流，使用标准节流公式；低于临界数：低速层流，启用层流流量模型。对低速微运动仿真很关键。

underlap corresponding to zero displacement（零位移对应的负遮盖量）：阀芯处于中位（位移 = 0）时的预开口大小：x0=0 零遮盖阀（临界遮盖阀）；＞0 负遮盖（中位有缝隙，常通油）；＜0 正遮盖（中位封闭），一般设置为负值及正遮盖。

underlap corresponding to minimum area（最小通流面积对应的负遮盖量）：阀口通流面积达到最小值时对应的遮盖量。一般设 0，用来定义阀完全关闭的边界条件。

underlap corresponding to maximum area（最大通流面积对应的负遮盖量）：阀口达到最大全开面积对应的遮盖量。设置的参数代表不限制最大开口，阀芯只要移动，通流面积持续增大，不会强制饱和限流。

chamber length at zero diaplacement（零位移时阀腔长度）：阀芯中位下，阀口前后容腔参考长度。用于计算阀腔内油液容积、油液压缩性（压力冲击、动态响应、压力振荡仿真）。len0=0 代表忽略容腔容积效应。

jet angle（射流角）：油液从阀口射出时液流与阀芯轴线夹角。经典滑阀理论标准取值 69°，计算稳态轴向液动力必不可少。角度错了，液动力仿真结果偏差极大。

jet force coefficient（射流力系数）：稳态液动力修正系数。kjet=0 → 不计算稳态射流力；若需要仿真阀芯受力、阀的颤振、电磁铁负载，需要设置非零数值启用液动力计算。

如果要有更直观的感受，可以打开元件参数的Compoent Design configuration tool功能：

Component Design configuration tool显示界面：

下图是ABO012元件的核心参数

当tool界面设置的参数不同时，所示元件图形也会改变。