蘇東海，秦明璋

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870)

0 前言

在引風(fēng)機(jī)的使用過程中，風(fēng)量的需求并不是恒定的，會根據(jù)實際需要選擇適當(dāng)風(fēng)量以完成生產(chǎn)需求。當(dāng)供風(fēng)量大于實際需求量時，富裕風(fēng)量會白白消耗電能，增加生產(chǎn)成本。而機(jī)液伺服缸作為風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)的主要元件，它的動態(tài)性能直接影響到風(fēng)機(jī)的性能和效率。因此，近幾年來對風(fēng)機(jī)機(jī)液伺服缸的研究引起了更多學(xué)者的重視。本文作者通過對集成式風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)液伺服缸進(jìn)行建模，對其動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，為設(shè)計集成式機(jī)液伺服液壓缸提供理論依據(jù)。

1 集成式機(jī)液伺服液壓缸的結(jié)構(gòu)及工作原理

集成式機(jī)液伺服缸的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成式機(jī)液伺服缸結(jié)構(gòu)示意圖

從圖中可知，在閥控缸集成式元件中，正開口雙邊滑閥和非對稱差動缸是一個整體，并在活塞上開設(shè)了一個阻尼孔;在配油方面，機(jī)構(gòu)采用了軸向配油方式，即油液通過旋轉(zhuǎn)油封直接通過軸向油道進(jìn)入控制閥內(nèi)。

集成式機(jī)液伺服液壓缸的原理如圖2所示。

圖2 機(jī)液伺服液壓缸原理圖

高壓油ps直通有桿腔，當(dāng)閥芯沒有輸入時，油液經(jīng)阻尼孔流入無桿腔，再經(jīng)閥芯正開口流回油箱，對機(jī)構(gòu)循環(huán)冷卻。當(dāng)給閥芯一個Xv正向位移時，此時右側(cè)節(jié)流口開口增大，壓力油同時向液壓缸左右兩腔等壓供油，由于兩腔活塞面積不同，活塞向右移動，對負(fù)載做功;由于活塞與閥體是集成的，隨著活塞的前進(jìn)，右側(cè)節(jié)流口逐漸減小，當(dāng)達(dá)到平衡位置時，活塞停止運動。當(dāng)給閥芯一個Xv負(fù)向位移時，原理同上。

2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè):閥對于閥芯位移和閥壓力變化所產(chǎn)生的流量變化能瞬間反應(yīng)，即閥具有理想的響應(yīng)能力;供油壓力恒定，回油壓力為零［1］。

閥口流量方程為

式中:Kq為流量增益;Kc為流量-壓力系數(shù);QL為負(fù)載流量;pc為液壓缸控制腔壓力。

液壓缸流量連續(xù)性方程為

式中:Ah為液壓缸無桿腔有效面積;Xp為活塞桿輸出位移;Cip為液壓缸內(nèi)漏系數(shù);Gr為阻尼孔液導(dǎo);V0為液壓缸無桿腔面積;βe為有效體積彈性模量(包括閥、連接管道和缸體機(jī)械柔度)。

液壓缸力平衡方程為

式中:m為活塞及負(fù)載等效質(zhì)量;FL為作用在活塞上的外負(fù)載力;K為負(fù)載彈簧剛度;B為活塞及負(fù)載的粘性阻尼系數(shù)。

將式 (1)、(2)、(3)聯(lián)立，忽略彈簧剛度，整理得系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

式中:Kce為機(jī)液伺服系統(tǒng)的總流量-壓力系數(shù)，Kce＝Kc＋Ctp＋Gr

?h為液壓固有頻率，取

3 系統(tǒng)動態(tài)特性的影響因素分析

該系統(tǒng)為機(jī)液伺服控制系統(tǒng)，特別是采用集成式閥控非對稱差動缸結(jié)構(gòu)，參數(shù)優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要［2］。文中以5 t機(jī)液伺服液壓缸為例分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。

根據(jù)傳遞函數(shù)可知，影響機(jī)液伺服缸系統(tǒng)的主要因素有:阻尼孔直徑d、閥口面積梯度W、閥正開口量U和負(fù)載質(zhì)量m，這些參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響是存在矛盾的。所以必須合理的選取參數(shù)值，使系統(tǒng)綜合性能達(dá)到最優(yōu)［3］。

3.1 阻尼孔直徑對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

圖3顯示了不同阻尼孔直徑下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。由圖中可知，隨著阻尼孔直徑的增加，系統(tǒng)上升時間變大，響應(yīng)變慢，超調(diào)量先減小后增大。

圖3 不同阻尼孔直徑下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖(d3＞d2＞d1)

阻尼孔直徑對系統(tǒng)的阻尼比有直接影響，但阻尼孔直徑也不是越大越好，過大的阻尼孔直徑會增加系統(tǒng)的內(nèi)泄量，出現(xiàn)爬行、出力不足、保壓性能差等問題;且隨著阻尼比的增加，系統(tǒng)超調(diào)并不是一直減小，到達(dá)一定值后開始增加。綜合系統(tǒng)性能，阻尼孔直徑選d2時最滿足設(shè)計要求。

3.2 閥口面積梯度對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

圖4顯示了不同閥口面積梯度下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖。由圖中可知，隨著面積梯度的增加，上升時間減小，系統(tǒng)響應(yīng)變快，但超調(diào)量增加，穩(wěn)定性降低。

圖4 不同面積梯度下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖(W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1)

閥口面積梯度對開環(huán)增益和阻尼比均有影響，選取大的面積梯度會提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，但過大的面積梯度會增加閥的體積，使流量增加，降低閥的效率;超調(diào)量也會增加，系統(tǒng)更加不穩(wěn)定，綜合系統(tǒng)性能，面積梯度選W2最符合設(shè)計要求。

3.3 閥正開口量對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

圖5顯示了不同閥正開口量下系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖，由圖中可知，隨著閥正開口量的增加，上升時間增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，超調(diào)量先減小后增大。

圖5 不同正開口量下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖(U3＞U2＞U1)

正開口量對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響與阻尼孔直徑類似，但對系統(tǒng)動態(tài)特性影響不大，根據(jù)文獻(xiàn) ［4］，通常取正開口量為U＝δ，這樣既滿足了正開口，又獲得了最大壓力增益。綜合系統(tǒng)特性，正開口量取U2最符合設(shè)計要求。

3.4 負(fù)載質(zhì)量對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響

圖6顯示了不同負(fù)載質(zhì)量下系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖，由圖中可知，隨著負(fù)載質(zhì)量的增加，系統(tǒng)上升時間增加，響應(yīng)變慢。超調(diào)量變大，穩(wěn)定性降低。

圖6 不同負(fù)載質(zhì)量下的系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖(m3＞m2＞m1)

負(fù)載質(zhì)量對系統(tǒng)固有頻率和阻尼比均有影響，負(fù)載質(zhì)量增加，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，穩(wěn)定性降低，所以設(shè)計時要優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和使用材料，盡量減小負(fù)載質(zhì)量。綜合系統(tǒng)性能，負(fù)載質(zhì)量取m1時最符合設(shè)計要求。

4 結(jié)論

通過對集成式機(jī)液伺服液壓缸的理論分析，建立了機(jī)液伺服缸的數(shù)學(xué)模型。從仿真結(jié)果來看阻尼孔直徑d、閥口面積梯度W、閥正開口量U和負(fù)載質(zhì)量m對動態(tài)特性均有很大影響，適當(dāng)調(diào)節(jié)U、W、d，減小m，可以提高系統(tǒng)動態(tài)特性。通過仿真不斷修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，使機(jī)液伺服缸的綜合性能最好，為設(shè)計集成式機(jī)液伺服缸提供了一定的理論依據(jù)。

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