插裝式液壓閥性能分析與仿真

插裝式液壓閥性能分析與仿真

由于節(jié)省成本、快速響應(yīng)和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該插入式多功能閥具有流量大、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛。研究人員對(duì)其流場(chǎng)、動(dòng)靜態(tài)特性、控制算法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了較多研究綜上所述,基于位移流量反饋原理的主閥可對(duì)先導(dǎo)閥流量進(jìn)行放大,因而在大流量控制場(chǎng)合具有優(yōu)勢(shì)。因此在本研究中,對(duì)主級(jí)基于流量放大原理、先導(dǎo)級(jí)采用位移電反饋的兩級(jí)插裝比例節(jié)流閥動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行分析,并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行探討,為該類(lèi)型液壓閥的研制提供依據(jù)。1基于插裝比例節(jié)流閥的數(shù)學(xué)建模1.1節(jié)省流量控制器的組成如圖1所示,其由主級(jí)和先導(dǎo)級(jí)構(gòu)成,主級(jí)包括閥芯、閥套和蓋板等,先導(dǎo)級(jí)采用直動(dòng)式比例閥。主閥芯表面加工有反饋槽(寬度w1.2主閥口流量q先導(dǎo)閥芯受力平衡式為式中:F由于先導(dǎo)閥為比例閥,且采用了位移電反饋方案,若忽略電磁鐵動(dòng)態(tài)特性和放大器中位置誤差控制算法模塊影響,則存在式中:k通過(guò)先導(dǎo)閥流量q式中:K主閥芯動(dòng)力學(xué)平衡表達(dá)式為式中:C當(dāng)主閥處于穩(wěn)態(tài)時(shí),且忽略液動(dòng)力和主閥復(fù)位彈簧剛度的影響,式(5)可寫(xiě)成若A式(7)表明,當(dāng)主閥處于穩(wěn)定時(shí),p通過(guò)主閥口流量qK通過(guò)主閥芯反饋槽可變液阻流量q式中:K級(jí)間壓力變化率為式中:β若主閥處于穩(wěn)態(tài),則由式(12)可獲得主閥出口處總流量為穩(wěn)態(tài)時(shí),主閥對(duì)先導(dǎo)閥流量的放大倍數(shù)g為式(18)(19)中的下標(biāo)字母0表示某一穩(wěn)定工作點(diǎn)。由式(16)~(19),可發(fā)現(xiàn)該比例閥是高階系統(tǒng),輸出總流量與先導(dǎo)級(jí)和主級(jí)結(jié)構(gòu)參數(shù)、級(jí)間容腔體積和主閥口壓降等因素相關(guān)。若直接利用傳遞函數(shù)進(jìn)行分析存在困難,故在后續(xù)研究中,將利用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行研究。2實(shí)驗(yàn)評(píng)估與模擬建模2.1閥口壓降系統(tǒng)搭建如圖2所示的試驗(yàn)裝置,主閥為16通徑插裝閥;先導(dǎo)閥為力士樂(lè)4WRPEH6型直動(dòng)比例閥,額定流量12L/min(閥口壓降7MPa),在100%輸入信號(hào)和幅值下降3dB條件下的頻率為60Hz。3個(gè)壓力傳感器分別測(cè)量主閥入口、出口以及控制腔壓力;兩個(gè)齒輪流量分別測(cè)量先導(dǎo)閥和主閥輸出總流量;主閥芯位移由差動(dòng)電感式直線位移傳感器測(cè)量。系統(tǒng)采用變量柱塞泵供油,最大流量105L/min。數(shù)據(jù)采集和先導(dǎo)閥控制信號(hào)均由dSpace完成。2.2簡(jiǎn)化間隙流動(dòng)模塊利用SimulationX軟件建立如圖3所示仿真模型,在仿真模型中,利用獨(dú)立節(jié)流邊、柱塞面積和固定液阻等組合成主閥,采用溢流閥加載;針對(duì)由主閥芯與閥套配合間隙引起的微小泄漏量,在仿真模型中利用SimulationX軟件提供的環(huán)形間隙流動(dòng)模塊(RingGap)進(jìn)行簡(jiǎn)化替代。此外,模型中還考慮了主閥液動(dòng)力、阻尼、主閥復(fù)位彈簧等因素,以上參數(shù)的設(shè)置只需利用SimulationX軟件提供的相關(guān)模,并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)。其他主要參數(shù)與圖3實(shí)驗(yàn)裝置中元器件參數(shù)一致:主閥芯上、下端直徑分別為20mm和14.14mm,閥口角度45°,反饋槽寬度w2.3主閥入口壓力p圖4為被測(cè)比例節(jié)流閥壓力關(guān)系,由圖可知,主閥入口壓力p由圖5可知,主閥位移階躍響應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,無(wú)明顯超調(diào)和振蕩。圖6、7分別說(shuō)明了x3計(jì)算精度驗(yàn)證通過(guò)上述內(nèi)容可知,研究過(guò)程中所建立的仿真模型具有一定可信性和計(jì)算精度,可以依據(jù)此模型開(kāi)展后續(xù)研究。由圖9可知,隨反饋槽預(yù)開(kāi)量x圖12說(shuō)明了主閥壓降對(duì)q圖13說(shuō)明了u在圖14中,當(dāng)u圖15驗(yàn)證了先導(dǎo)閥通流能力對(duì)主閥輸出流量死區(qū)范圍的影響。在圖中,q5插裝主閥模型設(shè)計(jì)1)主閥反饋槽預(yù)開(kāi)量導(dǎo)致該閥流量放大倍數(shù)隨輸入電壓增加而增加,但可以通過(guò)改變主閥口過(guò)流面積形狀,以增大主閥行程,從而減小反饋槽預(yù)開(kāi)量對(duì)流量放大倍數(shù)的影響。2)主閥表面反饋槽預(yù)開(kāi)量與面積梯度是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,對(duì)主閥輸出流量動(dòng)態(tài)性能有顯著影響。3)基于位移流量反饋原理的插裝主閥頻寬在10~20Hz范圍以內(nèi),因此在設(shè)計(jì)此類(lèi)比例節(jié)流閥時(shí),先導(dǎo)閥頻寬無(wú)需過(guò)大。為了提高此類(lèi)比例節(jié)流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng),應(yīng)減小先導(dǎo)閥級(jí)與主級(jí)之間的過(guò)渡容腔體積,體積越小,響應(yīng)