， 　(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室， 山西 太原　030024)

引言

插裝閥不但可用作各種復(fù)合閥的主閥，而且還可廣泛地作為獨立元件用于各種不同的液壓系統(tǒng)。插裝閥大都應(yīng)用于高壓、大流量的場合，因此其動態(tài)特性分析應(yīng)予以足夠的重視[1]。插裝閥可給系統(tǒng)帶來更為高效、快速和平穩(wěn)的響應(yīng)特性，同時插裝閥系統(tǒng)可使系統(tǒng)回路更加簡練，對污染的敏感度降低，使系統(tǒng)易于維護和保養(yǎng)。對插裝閥的研究已經(jīng)非常廣泛[2-5]，鍵合圖方法[6]、流體動力軟件Bathfp仿真[7]都被用于對插裝閥的動態(tài)仿真,鍵合圖方法設(shè)計和修改復(fù)雜，Bathfp仿真?zhèn)戎赜趯τ鸵旱牧髁繅毫y量，不能對閥芯動態(tài)輸出性能測量。SimulationX軟件是一款多學(xué)科結(jié)合的仿真軟件，包含信號學(xué)、機械學(xué)、電子學(xué)、電磁學(xué)等。

本研究將插裝比例節(jié)流閥當作獨立元件，通過對其結(jié)構(gòu)、特性的分析，應(yīng)用SimulationX建立其仿真模型，在適當?shù)南到y(tǒng)壓力的作用下，調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析不同參數(shù)對閥的動態(tài)性能的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而可以提高設(shè)計效率同時也保證了設(shè)計質(zhì)量。

1　插裝式比例節(jié)流閥工作原理

插裝式比例節(jié)流閥采用內(nèi)部機械反饋通道上疊加位移反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成電閉環(huán)控制，該閥主要由主閥、先導(dǎo)閥、位移傳感器、比例電磁鐵以及比例放大控制器等組成。通過先導(dǎo)閥控制主閥上腔的壓力來實現(xiàn)對主閥芯位移的控制。

圖1　位移-電反饋型比例節(jié)流閥控制原理

如圖1所示，先導(dǎo)油引自主閥進口A，先導(dǎo)回油內(nèi)接主閥B口。首先，先導(dǎo)閥電磁鐵供電為0，此時先導(dǎo)閥油液沒有流動，主閥上腔壓力與進油口壓力相等，由于彈簧力與主閥芯上下面積差的原因，主閥芯位置保持不變，主閥口處于關(guān)閉狀態(tài)；然后電磁鐵通電，輸出電磁力，從而電磁力克服反饋彈簧的預(yù)壓縮力推動先導(dǎo)閥芯下移，先導(dǎo)油經(jīng)先導(dǎo)閥口流至主閥出口，使主閥上腔壓力低于進口壓力，產(chǎn)生的壓差使主閥芯向上移動，主閥上腔壓力隨先導(dǎo)液流量增大而增大，直至主閥芯受力達到平衡穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)時通過節(jié)流槽流量與先導(dǎo)閥流量相等，得到主閥芯位移x計算公式：

式中，Cdc為通過節(jié)流槽流量系數(shù)；Cdy為先導(dǎo)閥閥口流量系數(shù)；ωy為先導(dǎo)閥面積增益；ωc為節(jié)流槽面積增益；y為先導(dǎo)閥位移；p1為主閥進油口壓力；p2為主閥出油口壓力；pX為控制腔壓力；xi為節(jié)流槽預(yù)開口量。忽略液動力與主閥彈簧力有主閥受力平衡方程：

p1A1+p2A2=pxAx

式中,A1為進油口面積；A2為出油口面積；AX為控制腔面積。

令A(yù)1/Ax=α，A2/Ax=1-α，則有：

主閥芯值位移不隨負載壓力和主閥上腔壓力的變化而變化，只與給定位置電信號有關(guān)，不受負載變化的影響。

電閉環(huán)控制原理框圖如圖2所示。

圖2　電閉環(huán)控制原理框圖

其控制原理為：差動電感式直線位移傳感器安裝在主閥芯上，通過檢測主閥芯的實際位移值可得節(jié)流口的開口大小。當接收到位移反饋信號時，經(jīng)測量放大電路轉(zhuǎn)換為放大的輸出信號ui，給定信號u0與傳感器檢測到的主閥位移反饋電信號ui進行比較，得到一個偏差值ue，當偏差值為0時，先導(dǎo)閥位置保持不變；當偏差值不等于0時，經(jīng) PID控制器產(chǎn)生電信號輸入比例電磁鐵，電磁力產(chǎn)生變化，克服彈簧力使先導(dǎo)閥受力變化，先導(dǎo)滑閥移動，從而控制主閥芯位移，最終實現(xiàn)對電-機轉(zhuǎn)換器的控制。

2　插裝式比例節(jié)流閥動態(tài)響應(yīng)的幾個主要影響因素

二通插裝式比例節(jié)流閥一般工作在高壓、大流量的環(huán)境中，分析其動態(tài)響應(yīng)特性有很重要的意義。通過流量公式當主閥芯位移恒定時，主閥進出口壓差增大，通過主閥口的流量也增大。建立SimulationX插裝式比例節(jié)流閥仿真模型，主要包括主閥受力建模、先導(dǎo)閥建模、比例電磁鐵施力建模、動力源模型以及負載模擬模型等[6]，SimulationX仿真模型如圖3所示。主要影響節(jié)流閥動態(tài)響應(yīng)的有以下幾個參數(shù)：主閥芯面積比、節(jié)流槽面積增益、主閥控制腔體積及先導(dǎo)閥彈簧壓力，通過改變參數(shù)值，仿真比較當結(jié)構(gòu)參數(shù)取值不同時對主閥輸出位移、先導(dǎo)閥流量、主閥流量和液動力的影響，分別比較其動態(tài)特性，包括響應(yīng)速度、超調(diào)以及延時等。

圖3　比例節(jié)流閥仿真模型

首先初步設(shè)定插裝式比例節(jié)流閥的參數(shù)，保證主閥進出口壓差不變時，給定系統(tǒng)的壓力為26 MPa，具體參數(shù)如表1所示。

表1　插裝式比例節(jié)流閥仿真模型主要參數(shù)

2.1　主閥芯面積比α

主閥芯面積比α取值分別為1∶2、1∶3、1∶4，保證其他參數(shù)不變，改變主閥芯面積比，主閥芯位移動態(tài)輸出特性曲線如圖4所示。

圖4　不同面積比的主閥芯開啟和關(guān)閉位移曲線

從圖4中可以看出，主閥芯面積比越大，主閥動態(tài)響應(yīng)越快，較短的時間內(nèi)完成閥的開啟與關(guān)閉，但與此同時也加劇了超調(diào)量，如僅為了保證響應(yīng)速度的要求，閥芯面積比可選取1∶2。如果響應(yīng)速度要求不太高，選用面積比1∶2和1∶3的中間一值時，主閥芯既有較快的動態(tài)響應(yīng)速度，同時無超調(diào)。圖5為不同面積比下的主閥芯液動力曲線，面積比為1∶2時液動力較小，但其有超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差最大。

圖5　不同面積比的液動力曲線

2.2　節(jié)流槽面積增益ωc

系統(tǒng)壓力為26 MPa，給定主閥芯位移為8 mm，保持插裝閥其他參數(shù)不變，主閥反饋節(jié)流槽面積增益ωc分別取0.8、1和1.2，主閥閥芯開啟和關(guān)閉動態(tài)響應(yīng)特性曲線如圖6所示。

圖6　不同節(jié)流槽面積增益ωc主閥芯動態(tài)響應(yīng)曲線

在圖7中可顯示出隨著節(jié)流槽面積增益ωc的增大，節(jié)流槽的通流能力越大，主閥芯動態(tài)響應(yīng)速度越快。相反節(jié)流槽面積增益越小，主閥芯動態(tài)響應(yīng)速度越慢。

圖7　不同節(jié)流槽面積增益ωc通過先導(dǎo)閥的流量曲線

節(jié)流槽面積增益為1.2、1和0.8時，通過先導(dǎo)閥的流量分別為13.31 L/min、9.41 L/min和7.56 L/min，隨著節(jié)流槽面積增益減小，插裝閥達到而定流量時，通過先導(dǎo)閥的流量減小。

2.3　主閥控制腔體積

插裝式比例節(jié)流閥液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時，通過先導(dǎo)閥的流量等于節(jié)流槽流量加上主閥芯移動產(chǎn)生的流量。若減小主閥控制腔的體積，對比例節(jié)流閥動態(tài)響應(yīng)特性也會產(chǎn)生影響。在主閥芯上設(shè)計一個柱形凸臺，通過改變此凸臺的直徑改變主閥總控制腔的體積，系統(tǒng)壓力設(shè)定為26 MPa，給定主閥芯位移8 mm，仿真分析不同控制腔體積下主閥芯動態(tài)響應(yīng)特性。凸臺直徑分別取d1=0 mm、d2=40 mm、d3=30 mm，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示，隨著凸臺直徑的增加，即主閥上部控制腔體積的減小，導(dǎo)致主閥的流通面積減小，通過先導(dǎo)閥的最大流量增大，且閥芯開啟超調(diào)量越來越大，但對提高插裝比例節(jié)流閥動態(tài)階躍響應(yīng)時間影響不大。

圖8　不同凸臺直徑的主閥芯位移動態(tài)響應(yīng)曲線

圖9　不同凸臺直徑時通過先導(dǎo)閥流量曲線

2.4　先導(dǎo)閥彈簧壓力

先導(dǎo)閥彈簧壓力計算公式為：

F=ky(y0+y)

從公式可得壓力與彈簧剛度成正比。仿真分析先導(dǎo)閥彈簧剛度取值不同時，對主閥流量的影響。仿真結(jié)果如圖10所示， 隨著彈簧剛度的增大， 先導(dǎo)閥壓力增大，主閥流量的超調(diào)量減??；彈簧剛度過小反而又會影響主閥的動態(tài)響應(yīng)時間，使主閥的動態(tài)響應(yīng)時間過長。因此通過仿真可得先導(dǎo)閥最佳彈簧剛度，見表2所示。

圖10　不同先導(dǎo)閥彈簧剛度時主閥流量曲線

表2　先導(dǎo)閥彈簧剛度

3　結(jié)論

對影響插裝式比例節(jié)流閥液壓系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性的幾個主要因素，即先導(dǎo)閥閥口型狀、主閥芯面積比、節(jié)流槽面積增益和主閥控制腔體，經(jīng)過SimulationX仿真模型的分析，使這些影響其動態(tài)響應(yīng)特性的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)得到優(yōu)化，提升了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及階越響應(yīng)特性，減少動態(tài)超調(diào)量從而減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。這種節(jié)流閥的抗干擾能力強，響應(yīng)速度快，且結(jié)構(gòu)簡單，在工業(yè)中可以廣泛應(yīng)用。

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