鄭宏偉,王 宇,宣默涵,周 琳,姜 楠,張?zhí)禊i,馬立軍,楊 羽
(1.長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所,吉林 長(zhǎng)春 130012;2.長(zhǎng)春理工大學(xué),吉林 長(zhǎng)春 130022)
閥控缸電液伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中[1-3],伺服油缸根據(jù)油缸出桿方式分為單出桿和雙出桿2種結(jié)構(gòu)。單出桿伺服油缸兩腔的面積不相等,稱為非對(duì)稱伺服油缸;雙出桿伺服油缸兩腔的面積相等,稱為對(duì)稱伺服油缸。非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小,并且能夠滿足多數(shù)工況的需求,因此被廣泛采用[4-6]。
比例伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件,設(shè)計(jì)中,比例伺服閥與伺服油缸的選擇及匹配是否合理會(huì)影響系統(tǒng)性能[7]。
在傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算資料中,多數(shù)以液壓馬達(dá)或?qū)ΨQ油缸為執(zhí)行元件來(lái)設(shè)計(jì),所選控制元件伺服閥的控制窗口是配作且對(duì)稱的零開(kāi)口滑閥[8-10],針對(duì)閥控非對(duì)稱缸電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是沿用之前的設(shè)計(jì)方法。
本文以電液伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象,分析了對(duì)稱伺服閥和非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸2種配置進(jìn)行理論分析,提出了采用非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸的優(yōu)化配置設(shè)計(jì)。
伺服閥非對(duì)稱結(jié)構(gòu)是指伺服閥P-A口額定流量和B-T口的額定流量不相等,REXROTH品牌高頻相比例伺服閥樣本如圖1所示,其中E1、W1和V1型伺服閥為非對(duì)稱結(jié)構(gòu),當(dāng)P-A口流量為qv時(shí),B-T口的流量為qv/2,當(dāng)P-B口流量為qv/2時(shí),B-A口的流量為qv,該結(jié)構(gòu)與差動(dòng)伺服油缸兩腔流量相匹配。而其他型號(hào)的伺服閥為對(duì)稱結(jié)構(gòu),即P-A口流量與B-T口的流量相等。
圖1 REXROTH品牌高頻響比例伺服閥樣本
在相同的輸出能力情況下,對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸和非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸2種結(jié)構(gòu),其系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)是不同的,下述對(duì)2種情況進(jìn)行分析。
對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)如圖2所示,伺服閥是零開(kāi)口高頻響比例伺服閥,伺服閥閥套控制窗口是對(duì)稱的。圖2中各參數(shù)如下:A1為伺服油缸無(wú)桿腔面積;A2為伺服油缸有桿腔面積;PS為系統(tǒng)供油壓力;P0為系統(tǒng)回油壓力;P1為伺服油缸無(wú)桿腔壓力;P2為伺服油缸有桿腔壓力;Q1為伺服閥1號(hào)控制窗口流量;Q3為伺服閥3號(hào)控制窗口流量;xv為閥芯位移。
圖2 對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)
忽略伺服閥和伺服油缸連接管道之間的壓力損失,圖1中伺服閥1號(hào)控制窗口壓力和伺服油缸無(wú)桿腔壓力P1相等,伺服閥3號(hào)控制窗口壓力和伺服油缸無(wú)桿腔壓力P2相等,回油壓力P0=0。
伺服閥控制窗口流量公式:
(1)
ΔPA=PS-P1
(2)
(3)
ΔPB=P2
(4)
式中,Cd為流量系數(shù);ω為面積梯度,對(duì)于四窗口閥,ω=4a;Xv為閥芯位移。
根據(jù)流量連續(xù)方程得到下式:
Q1=V·A1
(5)
Q3=V·A2
(6)
式中,V為伺服油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度。聯(lián)立式1、式3、式5和式6,得到下式:
(7)
定義面積比R如下:
(8)
將式8代入式7簡(jiǎn)化如下:
(9)
由上式可以看出,在對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸時(shí),伺服油缸無(wú)桿腔壓降是有桿腔壓降的R2倍。對(duì)于差動(dòng)型非對(duì)稱油缸,面積比R=2,此時(shí)閥壓降為
ΔPA=4ΔPB
(10)
將式2和式4代入式10整理得:
PS=P1+4P2
(11)
對(duì)于差動(dòng)伺服油缸,液壓系統(tǒng)壓力是伺服油缸無(wú)桿腔壓力與伺服油缸有桿腔壓力的4倍之和。
非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)如圖3所示,比例伺服閥是零開(kāi)口高頻響閥,閥套控制窗口是配作且非對(duì)稱。圖3中參數(shù)標(biāo)識(shí)與圖2中參數(shù)一致。
圖3 非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)
伺服閥控制窗口流量公式:
(12)
(13)
式中,ω1為非對(duì)稱閥套A控制窗口的面積梯度;ω2為非對(duì)稱閥套B控制窗口的面積梯度。對(duì)于四窗口閥有:
ω1=4a
(14)
ω2=4b
(15)
a=2b
(16)
聯(lián)立式14~式16得到
(17)
聯(lián)立式5、式6、式12、式13和式17得:
(18)
將式8代入式18簡(jiǎn)化:
(19)
由上式可以看出,在非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸時(shí),伺服油缸無(wú)桿腔壓降是有桿腔壓降的R2/4倍。對(duì)于差動(dòng)型非對(duì)稱油缸,面積比R=2,此時(shí)閥壓降為
ΔPA=ΔPB
(20)
將式2和式4代入式20整理得
PS=P1+P2
(21)
對(duì)于差動(dòng)伺服油缸,液壓系統(tǒng)壓力是伺服油缸無(wú)桿腔壓力與伺服油缸有桿腔壓力之和。
式11和式21中,無(wú)桿腔壓力P1和有桿腔壓力P2由負(fù)載力FL所決定,在同一伺服油缸承受相同負(fù)載力,并且保持閥控油缸具有相近的控制能力時(shí),對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的供油壓力PS大于非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的供油壓力PS。相應(yīng)的對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需油源功率大于非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的油源功率。
旋壓機(jī)3個(gè)橫向進(jìn)給動(dòng)作采用電液伺服閉環(huán)控制,其結(jié)構(gòu)如圖4所示,3個(gè)橫向伺服油缸安裝在托板內(nèi),互相成120°布置。
圖4 旋壓機(jī)橫向進(jìn)給電液伺服系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)
電液伺服系統(tǒng)液壓原理如圖5所示,原設(shè)計(jì)采用REXROTH品牌10通徑對(duì)稱結(jié)構(gòu)高頻響比例伺服閥,型號(hào)為4WRTE10V,系統(tǒng)壓力為PS=16 MPa,驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為45 kW,3個(gè)油缸輸出力都是300 kN。伺服油缸最大輸出速度為2 000 mm/min,伺服油缸規(guī)格為φ200/φ140。
圖5 液壓原理圖
伺服油路塊結(jié)構(gòu)如圖6所示,旋壓力的采集,對(duì)橫向進(jìn)給油缸兩腔壓力采集,3個(gè)橫向伺服油缸采用6個(gè)壓力傳感器采集油缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力值,并將壓力值轉(zhuǎn)換成0~10 V電壓信號(hào)輸出。計(jì)算機(jī)采集壓力傳感器的輸出電壓信號(hào),并進(jìn)行運(yùn)算,得到3個(gè)橫向伺服油缸的輸出力,并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上。壓力采集計(jì)算原理如圖7所示。
圖6 伺服油路塊外形結(jié)構(gòu)
圖7 壓力采集計(jì)算原理
原設(shè)計(jì)方案在工作時(shí),當(dāng)輸出力達(dá)到300 kN時(shí),通過(guò)伺服油缸兩腔壓力傳感器測(cè)得兩腔壓力分別為P1=10.42 MPa,P2=1.71 MPa。
應(yīng)用本文方法對(duì)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,采用力士樂(lè)10通徑非對(duì)稱高頻響比例伺服閥, 型號(hào)為4WRTE10V1,系統(tǒng)壓力降為15 MPa,當(dāng)伺服油缸輸出力達(dá)到300 kN時(shí),測(cè)得伺服油缸兩腔壓力為P1=11.44 MPa,P2=3.7 MPa。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率也隨之降為37 kW。
可以看到,采用非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸時(shí),伺服油缸兩腔壓力都大于對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸,控制能力明顯提高,同時(shí)優(yōu)化后系統(tǒng)壓力降為15 MPa,驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率降為37 kW,降低了8 kW。
在電液伺服閉環(huán)控制中,若伺服油缸為差動(dòng)油缸時(shí)(A1/A2≈2),選擇非對(duì)稱比例伺服閥在保證伺服系統(tǒng)控制能力不變的情況下可以有效降低系統(tǒng)壓力,減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率,減少功率損失。目前非對(duì)稱比例伺服閥已系列化,如REXROTH產(chǎn)品V1型號(hào)。
當(dāng)執(zhí)行元件為對(duì)稱油缸(A1≈A2)或液壓馬達(dá)時(shí),選擇對(duì)稱比例伺服閥更為合理。
對(duì)三輪旋壓機(jī)橫向進(jìn)給電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后,在保證系統(tǒng)控制能力不變的情況下,系統(tǒng)壓力降低了2 MPa,驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率降低了8 kW,減少了能源損耗。