郑凯
摘 要：以提高液压油的清洁程度为目标，设计了一种智能电磁吸附式液压油净化装置。首先，以电磁平板、电磁换向阀、压力继电器、传感器为硬件核心，完成了智能净化装置的结构设计。其次，利用传感器对净化装置两端压力进行自动实时检测，并将得到的压力值与设定的压力阀值进行比较，控制压力继电器、电磁换向阀的工作状态，实现对智能净化装置的进一步控制。最后，利用FLuidSIM搭建了智能净化装置的工作原理模型，并以此为基础利用AMESim搭建了智能净化装置的仿真模型，通过对仿真模型运行结果的分析，证实所设计的智能净化装置可靠有效。
关键词：液压油;净化装置;磁吸附;仿真
Abstract：In order to improve the cleaning degree of hydraulic oil， an intelligent electromagnetic adsorption hydraulic oil cleaning device was studied and designed. Firstly， the structure design of the intelligent purification device is completed with the electromagnetic plate， electromagnetic directional valve， pressure relay and sensor as the hardware core. Secondly， sensors are used to detect the pressure at both ends of the purification device automatically in real time， and the obtained pressure deviation value is compared with the set pressure threshold value to control the working state of pressure relay and electromagnetic directional valve， so as to further control the intelligent purification device. Finally， FLuidSIM was used to build the working principle model of the intelligent purification device， and on this basis， AMESim was used to build the simulation model of the intelligent purification device. By analyzing the operation results of the simulation model， the reliability and effectiveness of the designed intelligent purification device were verified.
Key words：hydraulic oil; purification plant; magnetic adsorption; simulation
液压系统在机械设备与机械加工中应用广泛。而在特定环境中，液压系统在运行过程中极易受外部杂质[1]（铁屑）的侵入，而造成液压系统相关元器件的损伤甚至损坏，进而影响液压系统运行的稳定性与可靠性[2-3]。因此，如何在保证液压系统正常运行的同时，还能够有效维持传动介质（液压油）的清洁程度，就成为工程技术人员值得研究的重要问题。文中设计了一种电磁吸附式的液压油净化装置（以下简称：智能净化装置）。
首先，利用电磁平板对外部杂质（铁屑）进行吸附，降低外部杂质（铁屑）对液压系统的影响。其次，针对吸附后杂质（铁屑）的排出问题，利用压力继电器、传感器、电磁换向阀，设计了相应的杂质（铁屑）排出系统，保证液压运行过程中液压油的清洁程度，提高液压系统的使用寿与效率。
1 总体结构设计与工作原理
1.1 總体结构
利用FLuidSIM[4]搭建了智能净化装置的总体结构与控制系统，如图1所示。
1.2 工作原理
1.2.1 正常工作状态
当液压系统处于正常工作状态时，液压源（3）中的液压油流入净化装置（4）;净化装置（4）对液压油中的杂质（铁屑）进行吸附，同时电磁换向阀（6）使液压马达（7）工作，并以一定速度进行旋转。液压系统的正常工作状态原理，如图2所示。
1.2.2 杂质排出状态
当净化装置（4）吸附的杂质（铁屑）达到一定量时，净化装置（4）的吸附能力进一步降低，净化装置输入端口压力进一步升高，当大于压力继电器（2）的预设值时，压力继电器使电磁换向阀（5）、（6）换向，系统由正常工作状态切换至杂质（铁屑）排出状态;同时使电磁吸附平板（图4）失电，杂质（铁屑）在系统压力下自动排出。液压系统的杂质排出原理图，如图3所示。
通过对图2、图3的分析，证实了智能净化装置设计的可行性，为后续关键部件的设计及系统仿真提供了依据。
2 关键部件的设计与分析
2.1 电磁吸附平板的设计
2.1.1 电磁吸附平板的结构
为了便于加工和布局，同时为了保证智能净化装置与液压油保持最大的接触面积，智能净化装置采用了平板式结构（4层），文中电磁吸附平板间的间隙取60 mm。如图4所示。
2.1.2 电磁吸附平板材料的选择
选取了磁导率较高、磁滞回线较窄、矫顽磁力较小的铁镍合金[5]，作为电磁吸附平板的材料，其铁镍合金参数如表2所示。
2.1.3 有效吸附面积的计算
由3.1可知，当液压油流经电磁平板时，电磁平板依靠电磁吸力吸附油液中的杂质（铁屑）。因此为了提高吸附的有效性，电磁吸力应不低于液压系统的恒定压力。由表1可知，液压系统工作压力为5 MPa，并参照表2中的参数，代入公式（1）[6]：由上式可知，当电磁平板的有效吸附面积S≥62000 mm2时，就能够满足本设计的需求。依据上式的计算结果，文中电磁吸附平板的长度、宽度取值，如表3所示。
2.1.4 平板的励磁电流
由铁镍合金磁化曲线（B-H曲线）[8-9]可知，当磁感应强度B=1.2 T时，磁场强度达到饱和点H=310.21 A/m，此时激励电流I≈1.6 A。
因此，为了保证电磁吸附平板工作的稳定性与持续性，平板内电磁线圈的励磁电流应不超过1.6 A。
2.2 压力继电器的预设值分析
当液压油流经电磁吸附平板时，在电磁吸力的作用下杂质（铁屑）将不断吸附于电磁平板表面，而造成电磁吸附平板（间隙）的堵塞。文中将电磁吸附平板等效为：无相对运动的平行平板，依据平行间隙的流量公式[10]：
由表4的仿真运算结果可知，当电磁吸附平板间的间隙，大于10 mm时，系统无压力损失;当其间隙在1～0.5 mm之间时，系统压力损失逐渐增大，在0.5 mm时压力损失达到30%;当其间隙小0.1 mm时，系统压力损失达到98%。
通过分析，设文中净化装置的压力损失上限为30%，则压力继电器预设值为5.35 MPa。
3 控制系统的设计
智能净化装置控制系统的主要功能是：将净化装置输入端口压力与压力继电器预设值进行比较，并驱动电磁吸附装置与电磁阀工作，使智能凈化装置处于相应的工作状态。
文中以选用Micro-chip公司的具有较高响应速度的DSPIC30F2010数字信号处理器[11-12]为控制核心进行控制，控制流程如图6所示。
如图6所示。首先，为压力继电器设置阀值，当净化装置输入口压力大于压力继电器所设阀值时，系统通过换向阀，使系统由正常工作状态切换至杂质（铁屑）排出状态。而当输入口压力小于所设阀值时，系统又切换回正常工作状态。
4 系统的仿真与分析
运用AMEsim软件[13]，通过绘制系统草图、建立子模型、参数设置、运行仿真4个环节，建立了智能净化装置的仿真模型，模拟了智能净化装置在不同工作状态下的过程。并进行了仿真实验，得到了相应的特性曲线。
4.1 系统模型的建立
绘制系统草图。分别从“Signal，Control”电子器件库;“Hydraulic”液压库;选取相应的“元件”进行系统草图的绘制;建立子模型[14]。选择“首选子模型”赋予“元件”具体的物理特性。本系统所用“元件”均来自于AMEsim软件的标准库;设置参数。为各个“子模型”设置参数，就是为子模型中的系数赋予具体的“值”[15-16];运行仿真。查看相应元件仿真结果，得到动态曲线。智能净化装置的仿真模型如图7所示。
4.2 设定子模型参数
智能净化系统的模型参数，如表5所示。
4.3 工作过程
首先，为比较器（1）设定压力预设值（2），同时系统在恒压源（5）的提供的恒定压力下开始工作，液压油经过压力传感器（3）流经净化装置（6）进行净化。持续一段时间后，若系统压力值大于预设值（2）时，向控制阀（7）、（8）以及电磁平板（6），同时发出控制信号（电流），这时电磁平板（6）与控制阀（8）关闭，控制阀（7）工作，杂质（铁屑）在系统压力下自动排出，流入油箱（10）。
4.4 系统仿真结果的分析
4.4.1 正常工作状态的仿真与分析
依据图7中的仿真模型，按照表5中的参数进行设置并进行仿真，由于在AMEsim仿真环境中平板并无磁力，因此在进行仿真时，文中依据表4对平板间隙进行了手动设置，当取值60 mm时（模拟吸附杂质较少，电磁吸附平板间隙无明显堵塞，压力损失无明显增加的状态），得到了相应的特性曲线。如图8所示。
由图8可知，系统处于正常工作状态，输出压力≈4.5 MPa，而杂质排出状态不工作，其输出压力为0 MPa。
4.4.2 杂质排出工作状态的仿真与分析
依据图7中的仿真模型，按照表5中的参数进行设置并进行仿真，由于在AMEsim仿真环境中平板并无磁力，因此在进行仿真时，文中依据表4对平板间隙进行了手动设置，当取值为0.5 mm时（模拟吸附杂质较多，电磁吸附平板间隙产生明显堵塞，压力损失接近上限30%的状态），得到了相应的特性曲线。如图9所示。
由图9可知，系统处于杂质排出状态，输出压力≈4.5 MPa，而正常状态不工作，其输出压力为0 MPa。
通过图8、图9的分析，证实智能净化装置能够在两种工作状态下进行自动切换，同时证实虽然经过对液压油的净化，使系统产生了一定的压力损失，但并未超过系统压力损失的上限30%，因此文中提出的智能净化装置的设计思路可行。
5 结 论
完成了智能净化装置的结构与控制系统设计。其次，利用FLuidSIM搭建了智能净化装置的工作原理模型，证实了设计思路的可行性。同时，利用AMESim搭建了智能净化装置的仿真模型，通过传感器对系统压力进行了实时检测，并将得到的压力值与设定的压力阀值进行比较，控制压力继电器改变电磁换向阀的工作状态，使其能够在正常工作状态与杂质（铁屑）排出状态间进行自动切换，实现了对智能净化装置的有效控制。最后，通过AMESim仿真分析，绘制了两种工作状态下的输出压力特性曲线，证明所设计的智能净化系统能够根据系统压力的变化，在以上两种工作状态下进行有效转换，达到了本次设计的目标，具有一定的应用价值。
参考文献
[1] 劉立强.液压系统污染的原因及控制方法探析[J].中国新技术新产品，2016（2）：172.
[2] 刘奎波.装载机液压系统清洁度的控制与应用[J].装备制造技术，2013（10）：213-215.
[3] 刘奎波.装载机液压系统清洁度的控制与应用[J].装备制造技术，2013（6）：205-207.
[4] 杨旭，杨晓华.基于FluidSim可调节流阀性能的研究[J].宁波职业技术学院学报，2018，22（2）：85-87.
[5] 秦曾煌.电工学：上册[M].第7版.北京：高等教育出版社，2009：187-189.
[6] 尹春雷.永磁、电磁混合磁悬浮系统的研究[D].济南：山东科技大学，2003.
[7] 董向成，吴学勇.软磁材料磁导率测量实验探索[J].大学物理实验，2016，29（3）：32-34.
[8] 马仔悦.软磁铁氧体材料B-H曲线测试系统的研究[D].成都：电子科技大学，2011.
[9] 马然，朱思洪，梁林，等.磁流变减震器建模与试验[J].机械工程学报，2014，50：135-141.
[10]田勇.液压与气压传动技术[M].北京：电子工业出版社，2011：187-189..
[11]沈利坚.采用电磁力杠杆机构的力平衡式传感器[D].重庆大学，2016.
[12]GUAN X C，HUANG J，TANG T L. Robot vision appLication on embedded vision implementation with digital signal processor[J].International Journal of Advanced Robotic Systems，2020，17（1）：213-216
[13]恭飞，王雪婷，杜奕.基于AMEsim的液压系统建模与仿真[J].软件，2020，41（1）：42-45.
[14]赵亚英.基于AMEsim仿真的液压压力控制系统研究[J].陕西国防工业职业技术学院学报，2019，29（4）：34-38.
[15]HASEO H W，KANGHYUN N. Design of a robust rack position controller based on 1-dimensional AMESim model of a steer-by-wire system[J].International Journal of Automotive Technology，2020，21（2）：419-425
[16]陶柳，徐化文，方婷.基于AMESim的M型电液换向阀仿真研究分析[J].装备制造与教育，2019，33（4）：50-52.
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