程 相， 鄭 愨， 左哲清， 朱家廳， 張 宇

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所， 北京 100076; 2.北京實(shí)驗(yàn)工廠， 北京 100076)

引言

在閥控缸液壓系統(tǒng)中使用滑閥換向時(shí)，一般采用O形滑閥機(jī)能的中位進(jìn)行油缸制動(dòng)?？墒牵捎诨y存在內(nèi)泄漏，對(duì)油缸制動(dòng)產(chǎn)生的影響不可忽視，甚至使油缸活塞產(chǎn)生自行動(dòng)作[1]，因此，減少滑閥內(nèi)泄漏對(duì)閥控缸液壓系統(tǒng)的發(fā)展有較大的工程意義。

在影響滑閥內(nèi)泄漏的諸多因素中，滑閥閥芯和閥套的搭接量是較為主要的因素之一[2]，也是降低滑閥內(nèi)泄漏量經(jīng)常采取措施的對(duì)象之一，本研究采用增大閥芯和閥套搭接量的方式來(lái)降低滑閥的內(nèi)泄漏量，并基于數(shù)字伺服閥，對(duì)因增大搭接量而造成的死區(qū)及因滑閥的工作銳邊變鈍導(dǎo)致滑閥工作窗口面積梯度不恒定等現(xiàn)象進(jìn)行了線性化補(bǔ)償技術(shù)研究，有效的減少了滑閥的內(nèi)泄漏量，基本消除死區(qū)及工作銳邊變鈍對(duì)滑閥性能的影響。

1 低泄漏滑閥非線性特性的形成

閥芯和閥套是滑閥的核心工作部件，按其搭接量的不同可將滑閥區(qū)分為正開(kāi)口滑閥、零開(kāi)口滑閥和負(fù)開(kāi)口滑閥[3]，如圖1所示，它們具有不同的流量增益特性。

圖1 滑閥工作邊搭接示意圖

在滑閥的常規(guī)使用場(chǎng)合，零開(kāi)口滑閥才是其制造的追求目標(biāo)，然而為了補(bǔ)償閥芯與閥套間隙造成的內(nèi)泄漏影響，使滑閥的增益具有線性特性，零開(kāi)口滑閥實(shí)際上總具有一個(gè)微小的正搭接量[4]，因此零開(kāi)口滑閥在零位附近的內(nèi)泄漏量可以認(rèn)為和負(fù)開(kāi)口滑閥一致[5]。其泄漏可通過(guò)以下公式計(jì)算[6]：

(1)

式中,Q—— 流量

xv—— 閥芯位移

L—— 搭接量

ps—— 供油壓力

d—— 閥套內(nèi)孔孔徑

δ—— 閥芯與閥套單邊間隙

由公式可知，通過(guò)增大閥芯和閥套的搭接量L和減小閥芯和閥套的徑向間隙δ均能達(dá)到進(jìn)一步減小滑閥中位的內(nèi)泄漏量的目的[7]，但在具體實(shí)現(xiàn)中，為降低機(jī)械加工的難度以及滑閥中閥芯和閥套出現(xiàn)卡滯的概率，顯然增大閥芯和閥套的搭接量L[8]，使滑閥進(jìn)一步成為負(fù)開(kāi)口滑閥為相對(duì)易行的方法。

當(dāng)閥芯和閥套的搭接量增大到一定值后，滑閥在閥芯和閥套的搭接范圍內(nèi)的工作流量相對(duì)于正常流量可以忽略[9]，滑閥控制信號(hào)在此范圍的流量反饋較為遲鈍甚至沒(méi)有反饋，滑閥在采取低泄漏措施后形成工作死區(qū)，其空載流量曲線表現(xiàn)非線性，滑閥工作流量可通過(guò)如下公式計(jì)算得出：

(2)

(3)

(4)

式中,Cd—— 流量系數(shù)

ω—— 面積梯度

pL—— 負(fù)載壓降

p0—— 回油壓力

ρ—— 油液密度

其流量特性曲線如圖2所示。

圖2 負(fù)開(kāi)口滑閥流量特性曲線

2 增益補(bǔ)償方案分析

由滑閥工作流量計(jì)算公式知，滑閥流量與閥芯位移成比例關(guān)系，為了使閥具有較低內(nèi)泄漏量的同時(shí)保有良好的線性流量特性，本研究提出變?cè)鲆婵刂品桨?，即滑閥切換工位工作時(shí)，通過(guò)控制使滑閥在死區(qū)范圍的閥芯位移增益大于正常工作區(qū)間，對(duì)滑閥死區(qū)范圍較低的流量增益進(jìn)行補(bǔ)償，控制方案效果應(yīng)如圖3所示，為了便于說(shuō)明，對(duì)負(fù)開(kāi)口量范圍內(nèi)的流量增益進(jìn)行了一定的放大處理。

圖3 變?cè)鲆嫜a(bǔ)償控制效果預(yù)期圖

基于數(shù)字伺服閥對(duì)低泄漏滑閥進(jìn)行多區(qū)段增益補(bǔ)償控制驗(yàn)證，數(shù)字伺服閥以永磁同步電機(jī)作為電/機(jī)轉(zhuǎn)換器，采用絲杠副將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為直線位移，進(jìn)而直接驅(qū)動(dòng)滑閥閥芯滑動(dòng)，最終輸出流量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示[10]。

圖4 數(shù)字伺服閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

數(shù)字伺服閥整閥采用半閉環(huán)控制，永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)動(dòng)角度閉環(huán)控制,其控制原理圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字伺服閥控制原理簡(jiǎn)圖

永磁同步電機(jī)在工作中，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度與指令信號(hào)的比值是電機(jī)對(duì)指令信號(hào)的放大倍數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)本研究對(duì)滑閥的流量增益補(bǔ)償，按方案，需為電機(jī)設(shè)置多個(gè)工作區(qū)域和切換點(diǎn)，工作區(qū)域包括滑閥的死區(qū)和2個(gè)正常工作區(qū)間，不同工作區(qū)域按需設(shè)置其放大倍數(shù)，切換點(diǎn)為閥芯死區(qū)的2個(gè)邊界點(diǎn)。

由零位附近的內(nèi)泄漏公式知，滑閥泄漏量與閥芯位移并非簡(jiǎn)單的線性比例關(guān)系，為了簡(jiǎn)化控制，提高其工程應(yīng)用性，將電機(jī)角度與指令信號(hào)的關(guān)系定義如下：

θ=k1U-U0≤U≤U0

(5)

θ=k1U0+k2(U-U0)U>U0

(6)

θ=-k1U0+k2(U+U0)U<-U0

(7)

式中，θ—— 電機(jī)轉(zhuǎn)角

k1—— 死區(qū)轉(zhuǎn)角增益

k2—— 工作區(qū)轉(zhuǎn)角增益

U0—— 死區(qū)與工作區(qū)分界電壓值

U—— 指令電壓信號(hào)

在滑閥的調(diào)試過(guò)程中，一般以滑閥流量為零時(shí)閥芯的位置為液壓零位，當(dāng)滑閥切換不同工位時(shí)，閥芯沿其軸線向不同的方向滑動(dòng)，但受機(jī)械加工水平等因素的影響，滑閥并不像理想中的情況，其4個(gè)節(jié)流窗口并不完全匹配及對(duì)稱，也就是說(shuō)，閥芯沿不同方向滑動(dòng)，需要脫離死區(qū)進(jìn)入正常工作區(qū)間時(shí)，其通過(guò)死區(qū)的位移不同，這就需要在進(jìn)行變?cè)鲆婵刂茣r(shí)，增加分段分別控制。因此上述公式改變?yōu)椋?/p>

(8)

(9)

θ=k1U0≤U≤U0

(10)

θ=k1U0+k2(U-U0)U>U0

(11)

式中,k′1,k1—— 對(duì)應(yīng)死區(qū)轉(zhuǎn)角增益

k′2，k2—— 對(duì)應(yīng)工作區(qū)轉(zhuǎn)角增益

為保證滑閥的相關(guān)性能，滑閥中閥芯和閥套的工作邊均需保持銳邊，但受機(jī)械加工水平的影響，或在長(zhǎng)期使用后，其工作變不再尖銳[11]，此時(shí)，為了保證滑閥的壓力增益等相關(guān)性能，亦可通過(guò)控制方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償[12]。閥芯工作銳邊因機(jī)加水平或長(zhǎng)期使用后，其工作變不再尖銳，其形狀各異，其影響直接體現(xiàn)在滑閥的空載流量曲線中，為簡(jiǎn)化模型，可在空載流量曲線中采用斜邊近似貼近，如圖6所示。

圖6 閥芯鈍化工作邊近似補(bǔ)償圖

電機(jī)角度與指令信號(hào)的關(guān)系式如下：

U<-U0

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

U>U0

(17)

式中,kr—— 工作銳邊鈍化區(qū)域轉(zhuǎn)角增益

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證線性補(bǔ)償方案的效果，對(duì)同一型號(hào)的2臺(tái)數(shù)字伺服閥采用了不同的配磨參數(shù)，其配磨參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)字伺服閥閥芯閥套配磨參數(shù)統(tǒng)計(jì)表 mm

其中2#滑閥工作邊在配磨時(shí)未刻意保持銳邊。

其他試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如下：

① 工作介質(zhì)：10號(hào)航空液壓油；

② 閥芯直徑：d0=20 mm；

③ 供油壓力：ps=10 MPa；

④ 負(fù)載壓降：pL=0；

⑤ 回油壓力：po=0.5 MPa；

⑥ 絲杠導(dǎo)程：ph=3 mm。

3.1 內(nèi)泄漏試驗(yàn)驗(yàn)證

O形滑閥機(jī)能處于中位時(shí)，介質(zhì)通過(guò)A、B油口的內(nèi)泄漏是造成油缸制動(dòng)失效甚至自走的主要原因，因此，本研究主要對(duì)滑閥處于中位時(shí)介質(zhì)通過(guò)A、B油口的泄漏量進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試原理圖簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 滑閥中位內(nèi)泄漏量測(cè)試原理簡(jiǎn)圖

2#滑閥因其泄漏量過(guò)小，在圖7基礎(chǔ)上，將介質(zhì)由A、B油路直接引出，采用量杯測(cè)量，測(cè)量時(shí)間1 min，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 內(nèi)泄漏測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 mL/min

由表2數(shù)據(jù)得知，增大閥芯閥套搭肩量有效降低了滑閥中位的內(nèi)泄漏量。

3.2 滑閥中位線性補(bǔ)償試驗(yàn)驗(yàn)證

流量增益補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)的確定均在大搭接量滑閥實(shí)測(cè)空載曲線基礎(chǔ)上確定。為了更方便的測(cè)量和補(bǔ)償，在死區(qū)和正常工作區(qū)域之間定義過(guò)渡區(qū)域，該區(qū)域包括死區(qū)泄漏量較大的區(qū)域及因工作邊變鈍等因素引起的泄漏量增大的區(qū)域，其具體確定如圖8所示。

圖8 2#未采取線性補(bǔ)償空載流量曲線

增益補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)初步確定應(yīng)符合如下關(guān)系：

在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，考慮電機(jī)響應(yīng)等相關(guān)因素，并根據(jù)實(shí)測(cè)曲線調(diào)整參數(shù)，最終確定補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 增益補(bǔ)償參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖9為2#滑閥采取線性補(bǔ)償后的空載流量曲線，圖6和圖7的繪制壓力均為10 MPa，指令信號(hào)均為峰峰值為5 V的正弦電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)比可知，本研究基于數(shù)字伺服閥的大搭接量量滑閥線性補(bǔ)償技術(shù)可以較好的跨越死區(qū)，并保證滑閥的線性流量特性。

圖9 2#采取線性補(bǔ)償后的空載流量曲線

4 結(jié)論

本研究針對(duì)滑閥內(nèi)泄漏造成閥控缸液壓系統(tǒng)油缸的自走現(xiàn)象，提出了一種增大滑閥中閥芯和閥套搭接量的低泄漏滑閥方案，并進(jìn)一步提出了采用多區(qū)間流量增益補(bǔ)償技術(shù)方案以確保滑閥空載流量的線性特性，最后通過(guò)試驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證了其可行性。該方案使閥兼具了良好的線性流量特性和低內(nèi)泄漏量，為解決閥控缸液壓系統(tǒng)的油缸自走提供了一種解決思路。