王潔，陳先惠，劉峰

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110081;2. 上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海201900)

電液比例控制閥(簡稱比例閥)可以通過改變輸入電信號的方法對液流參數(shù)進行連續(xù)控制，具有良好的靜動態(tài)性能，易于實現(xiàn)閉環(huán)控制，因而得到廣泛的應(yīng)用。比例閥相當(dāng)于用比例電磁鐵取代了普通開關(guān)型液壓閥的手動調(diào)節(jié)裝置或普通電磁鐵［1］，可以實現(xiàn)遠距離、高精度的連續(xù)控制。比例流量閥可以控制閥的輸出流量按比例連續(xù)地跟隨輸入信號的變化而變化。

流量閥是由減壓閥和節(jié)流閥組成，傳統(tǒng)流量閥的結(jié)構(gòu)是先減壓后節(jié)流，減壓閥和節(jié)流閥在空間呈90°角，工藝性較差，溫度對流量穩(wěn)定性影響較大［2］。同軸式電液比例流量閥采用先節(jié)流后減壓、節(jié)流閥與減壓閥同軸的結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)流量閥的不足，使其靜動態(tài)性能得到提高。

1 結(jié)構(gòu)特點

圖1 為同軸式電液比例流量閥的結(jié)構(gòu)原理簡圖，其結(jié)構(gòu)特點為:

(1)采用了先節(jié)流后減壓的串聯(lián)結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)調(diào)速閥的進出口壓差變化較大時，減壓閥產(chǎn)生的油液溫升不會影響經(jīng)過節(jié)流閥的液流［3］，因此壓差變化引起的油溫變化對節(jié)流閥流量穩(wěn)定性的影響減小。

(2)采用節(jié)流閥和減壓閥同軸式，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。

(3)在減壓閥的閥芯上開設(shè)了環(huán)形槽，使穩(wěn)態(tài)液動力減小。

(4)節(jié)流閥閥口采用矩形窗口［4］，有效保證了閥的輸出流量與輸入電流的正比關(guān)系。

圖1 同軸式電液比例流量閥的結(jié)構(gòu)原理簡圖

2 靜特性分析

符號說明:

Q1、Q2分別為通過節(jié)流閥、減壓閥的流量;

p1、p2、p3分別為閥的入口、減壓閥入口和閥的出口壓力;

ω1、ω2分別為節(jié)流閥、減壓閥的濕周長;

Cd、ρ 分別為流量系數(shù)和油液密度;

x、y 分別為節(jié)流閥和減壓閥的位移量;

K2、y0分別為減壓閥的彈簧剛度和預(yù)壓縮量;

A、Fs分別為減壓閥閥芯有效面積和穩(wěn)態(tài)液動力［5］。

(1)節(jié)流閥流量方程:

(2)減壓閥流量方程:

(3)減壓閥受力平衡方程:

(p1- p2)A + Fs= K2(y0+ y)

實測靜特性曲線如圖2—4 所示。

圖2 比例流量閥的穩(wěn)態(tài)控制特性曲線

圖3 比例流量閥的穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性曲線

圖4 比例流量閥的溫度特性曲線

實驗結(jié)果表明:線性度1.4%;輸出流量相對偏差最大為:2.53% /MPa;當(dāng)溫度從15 ℃升到55 ℃時，流量變化為1 L/min。

3 動態(tài)特性分析

符號說明:

d0、l0、QD分別為阻尼孔的直徑、長度和流量;

V1、V3分別為節(jié)流閥處和敏感腔的容積;

p11為敏感腔內(nèi)的壓力;

m1、m2分別為節(jié)流閥和減壓閥的閥芯質(zhì)量;

B1、B2分別為節(jié)流閥和減壓閥的黏性阻尼系數(shù);

Fi、T 分別為比例電磁鐵的電磁吸力和時間常數(shù);

K1、x0分別為節(jié)流閥的彈簧剛度和預(yù)壓縮量;

μ、βe 分別為油液的動力黏度和彈性模量;

ui、Kf分別為比例放大器的輸入電壓和電壓增益。

(1)節(jié)流閥流量方程:

(2)節(jié)流閥閥芯的力平衡方程

(3)減壓閥流量方程:

(4)減壓閥閥芯的力平衡方程

(5)阻尼孔流量

(6)流量連續(xù)性方程

(7)比例鐵的動特性方程

將上面各式線性化并拉式變換得:

根據(jù)上面各式，得到方框圖如圖5。

經(jīng)MATLAB 仿真［6－7］，結(jié)果表明:階躍響應(yīng)的上升時間為75 ms，－3 dB 的頻寬為6 Hz。圖6 為實測階躍響應(yīng)曲線，可見階躍響應(yīng)的上升時間為80 ms，－3 dB 的頻寬為5.2 Hz。

圖6 實測階躍響應(yīng)曲線

4 靜動態(tài)特性的改善

采用瞬態(tài)流量計［8］實現(xiàn)流量閉環(huán)反饋及前向通道PID 調(diào)節(jié)改善閥的靜動態(tài)特性，圖7 為比例流量閥的閉環(huán)控制框圖。實測靜動態(tài)特性曲線如圖3 和圖8所示。實測表明:輸出流量相對偏差最大為0.197% /MPa;階躍響應(yīng)的上升時間為42 ms，－3 dB 的頻寬為12 Hz。

圖7 比例流量閥的閉環(huán)控制框圖

圖8 改善后實測階躍響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

(1)同軸式比例流量閥結(jié)構(gòu)簡單合理，工藝性好，大大減少了溫度變化對流量變化的影響。

(2)該閥有較好的靜動態(tài)特性，而且通過采用流量閉環(huán)反饋及前向通道PID 調(diào)節(jié)，使閥的靜動態(tài)性能得到進一步提高。

(3)理論分析與實驗結(jié)果一致，為閥的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

［1］易孟林，曹樹平，劉銀水．電液控制技術(shù)［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2010．

［2］許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2008．

［3］李玉林．液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991．

［4］王潔，趙晶．液壓元件［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2013．

［5］黃卉，程順．電液比例方向流量閥的特性分析及應(yīng)用［J］．現(xiàn)代機械，2001(3):61－67．

［6］蘇金明，王永利．MATLAB 7.0 實用指南(上、下冊)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

［7］陳超．MATLAB 應(yīng)用實例精講［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2013．

［8］王潔，陳先惠．瞬態(tài)流量計的研究［J］．機床與液壓，2004(1):124－125．