液压伺服阀的热力学模型研究及数字仿真

　　引 言

　　液压系统工作过程中油液的温度对系统工作性能会产生较大影响，过高或过低的油液温度将严重影响系统的正常工作，甚至造成系统的故障和失效 [1]，对于一些精密液压设备，系统温度的过大波动将严重影响系统性能或使系统不能正常工作[2]，而随着液压系统功率的增加和对控制精度要求的不断提 高，温度控制问题将显得更加重要。液压系统工作过程中其油液温度的变化主要取决于一些高发热元件，如泵、马达和各种阀。其中各种阀一般具有较大的节流损 失，其发热量是影响系统温度变化的重要因素，而在阀中，因伺服阀长时间处于工作状态，对系统工作性能和控制精度产生直接影响，就显得尤为重要。所以对液压 伺服阀进行热力学建模，并对其温度进行准确的仿真预测，对了解系统发热机理，保证系统安全工作，提高系统控制精度，改进温度控制算法都有着重要意义。

　　伺服阀是液压系统中主要的控制元件，对伺服系统性能有着重要影响。伺服阀可分为滑阀、喷嘴挡板阀和射流管阀，其中以滑阀使用最为广泛。对于伺服 阀的研究主要集中在其压力和流量的稳态和动态特性领域[3,4]，而对其热力学模型的研究则相对较少，传统的方法[1]是将伺服阀简化为一个节流元件，采 用能量守恒得到其温度变化的稳态公式进行计算，文献[5]对滑阀温度场进行了CFD 研究，得到了阀内各处温度分布，并对工作压力、径向间隙和节流口开度对温度场的影响进行了研究。文献[6]采用热力学方法建立了泵的热力学模型，文献 [7]和[8]都采用了神经网络方法建立了燃料电池的温度非线性模型，这些对液压元件热力学模型的建立都有很大的参考意义。文献[9]进行了油液温度变化 对阀工作特性的影响研究。

　　本文采用热力学中控制体内温度变化计算方法，结合阀的压力流量特性，建立了伺服滑阀的热力学模型，并以MATLAB/Simulink 为工具进行了仿真计算，仿真结果验证了模型的有效性。

　　1 热力学基本原理

　　建立伺服阀热力学模型，目的是对阀工作过程中的动态温度进行预测，这样就要求通过热力学建模得到阀温度变化的表达式，所以首先介绍控制体内温度 变化计算方法。作为自然界内的一条基本定律——能量守恒定律，在热力学仿真中得到了广泛的应用，对于一维流动的流体，选控制体如图1 所示：

　　对于一维流动，在控制体内部其动能和势能相对较小，可以不予考虑，这样控制体的能量守恒方程可写为[10]：

　　其中:Q 为外界传给控制体的热流量,cvE 为控制内的能量变化量,W 为控制体做功的功率， m 为流经控制体的质量流量，h 为流体的焓值，out 、in 分别表示控制体出口和进口。