大流量级电液比例插装阀的动态特性Word格式.docx
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2013年03月12日
摘要:
讨论一款高性能、能够用于控制大流量的伺服比例插装阀。
通过分析该阀的结构原理,我们得到该阀的传递函数。
有了传递函数,我们可以研究一些影响阀的性能的阀的结构。
通过数字模拟和测试研究,使一些能够改进该阀的性能的最佳有效的原理方法成为一种可能,测试结果与理论分析及模拟结果相符合,并肯定了研究和模拟工作,本文为该阀的工程应用和一系列的进一步设计工作提供了理论基础。
关键词:
大流量级电液比例阀 动态特性
注释
mp--先导阀芯的质量 ip--输入电流
mv--第二阀的质量 Fp--电磁力
xp--先导阀的位移 Kp--流量系数
xv--第二阀的位移 km--弹簧的反馈刚度
bp--先导的粘性摩擦系数 ke--电子增益
Bp--第二阀的粘性摩擦系数 kf--流力增益
pa--a点的压力 kqf--动态孔口增益
pb--b点的压力 A(x)--先导阀的阀口面积
pp--p点的压力 Qa--a点的流量
pl--先导阀的加载压力 Qb--b点的流量
ap--先导阀芯的横截面积 QL--先导阀的加载流量
aa--第二阀的大横截面积 KQ--先导阀的流量增益
ab--第二阀的小横截面积 KC--先导阀的流量压力增益
0.概述
作为现代微电子和大功率工程设备的连接桥梁,电液比例控制技术已经成为最基本的工程控制部分。
在镁铝铸模机实时控制系统中,采用的是一种高高性能大流量级电液比例插装阀。
作为核心组件,阀是用来控制准确锤的速度。
这种类型的大流量级阀也能用在其他领域内,例如:
成型机,微重力找捞设备,大范围金属成型机器和盾构掘机电液控制系统。
随着我国国防业和工业的发展,大功率电液比例伺服阀将会被广泛用于军事、金属冶炼、汽车、航空航海等领域。
目前,这种阀主要靠进口,所以,大流量级电液比例插装阀的动态特性研究具有非常重要的工程意义。
由于比例电磁铁作为先导级驱动的功率限制和主阀口的流力影响,大流量级比例伺服阀都采用3级结构。
为了抑制扰动和控制精度,采用了很多反馈控制方法,例如:
微电子反馈内循环和机械反馈内循环。
在这里,我们介绍了一种技术方案,在这个方案里,我们采用了3级结构。
这里是一个根据先导级和第二级之间的流力反馈原理设计的机械反馈内循环方式,并且其后续控制方法用于第二级和主级之间。
这个方案实现了阀的性能高、结构简单、低耗能。
在这里,研究了先导级对整个阀的性能的影响,并使一些改进阀的动态性能的最佳有效原理和方法成为一种可能。
1.结构和原理
阀的结构原理如图1所示,从图1可知,阀由四个主要部分组成:
比例电磁铁,四通先导滑阀,第二级阀和主插装级。
该阀的工作原理如下:
关闭模式:
当由预压力决定的阀高于电磁铁时输入电流信号,先导阀芯会回到图1所示位置。
在这个过程中,先导控油进入第二级的上腔,下腔的油通过阀口回到油箱中。
使得第二级下降,并且锥形阀口变得更小。
由于液压桥的停滞,主级段的控制压力上升到入口压力B,然后主级段关闭。
开启模式:
当输入的是预压力决定的最小阀比电磁铁小。
根据牛顿定律,由弹簧力和电磁力双重作用的先导阀芯下降。
在这个过程中,先导压力油通过阀口进入第二级阀的下腔,接着上腔的油流回油箱使第二级阀上升。
当第二级阀上升时,弹簧的反馈预压力变大,同时弹簧变大。
受电磁力、反馈弹簧力和流力的作用,阀芯将会回到平衡位置。
最后,流力与电磁力相等,所以第二阀的排量与阀的输入信号成比例。
图1 插装阀的结构原理 图2 阀的结构原理
当第二阀向上移动时,锥形阀口β变大。
B型液压半桥的变量孔β和常数孔R2控制主级段上腔的压力P3,主级段的排量和主流量也被液压桥所控制。
整个阀采用了三段式结构,该阀的结构特性如下:
(1)电磁铁直接控制先导阀芯,孔R1是先导和第二级之间孔口的动态反馈压力。
(2)通过先导和第二级间的弹簧反馈,该阀包含了位移力的反馈,第二段的位移和阀的输入信号成比例。
(3)在主段中,第二级通过B型液压半桥控制孔R2和锥形孔,实现了高性能主段和第二阀的后续控制。
2.系统建模
根据图1的结构原理,该阀只有一个机械反馈内循环,主级段后续控制和PWM电流控制电子路,所以整个阀的性能由先导级性能决定,先导级的分析如下。
图2为先导级的原理图,从图2可知,该系统包括7个状态参数,2个先导级的状态参数,2个第二段的状态参数,3个为该两级中的压缩性流体的状态参数。
在接下来的部分,分析了先导阀芯和第二段的动态特性。
先导阀控制第二级的移动。
当一个足够大的信号输入电磁铁中时,先导级根据牛顿方程移动
在等式
(2)中假设电磁铁的启动时间快得足以忽略。
在这时,先导阀口的流量如下
阀口是两个圆形口,先导阀由电磁铁直接驱动;
位移范围为-0.5mm到+0.5mm。
所以面积几乎和位移成比例。
因此,面积可用以下等式表示
孔R1的流量用下式表示
当流量方向和图2中的方向一至时,阀是正常的,在先导阀和第二阀中间的三个腔的压力换成净流入的比率为
当先导阀从中间位置离开,第二阀的平衡被破坏。
第二阀根据牛顿方程移动:
假设通过也R1的流量和ap、xp相等,可得以下等式
当xp>0时,对四通阀有
加载压力如下
由式(14)、(15)联立得:
加载流量如下
小增量在平衡位置O进行线性化,状态参数描述如下
阀芯线性化如下
对中心平衡位置,xp,0=0,不考虑流力,输入压力为:
PL0=Kmxv,0/ab,且KC=0,输入流量如下
用等式(9)~(13)和(18)的线性化结果,可得传递函数。
图3和图4是传递函数图。
图3 传递函数图解
图4 传递函数简化图
在图3和图4中:
AC=(aa+ab)/2
由图4可得
因此,最后的二阶组件要以简化成一个比例组件。
如果考虑第二阀的泄漏,图4中的整合元素可能被第一阶的惯性元素替代,因为先导和第二阶中的小间隙和小泄漏的影响,它的自然频率很高,和图4中的第一阶组成相比,第一阶组成也能简化成比例部分,所以整个阀的性能直接由先导阀决定。
没有使用电子反馈,该阀的性能主要由比例电磁铁决定。
在这里,采用动态特性好的035型电磁铁。
通过以上对先导阀的分析,可得如下结果
(1)由于粘性摩擦bp和先导阀质量mp很小的影响,阀的ω1通常非常大。
所以阻尼比很小,孔R1的存在可以提升阻尼比并提升系统的稳定性。
(2)由于流量刚度的反馈提升,反馈速度变高,同时,由于小先导阀阀芯的质量,刚度的提升减小了系统阻尼比。
(3)流量反馈的预压力由电磁部分决定,由于液压的存在电磁并不完美。
当输入电流比确定值更大时,电磁的电压曲线成线性。
没有使用位移电子反馈,主级段位移和输入电信号的关系在机电转化器上为线性,所以流量反馈取其线性域的最小值。
而且其刚度由主级位移决定。
后续控制用于主级和第二级之间,第二阀的位移几乎与主级相等。
(4)流力的存在提升了主成分自然频率,但它也减小了系统的阻尼比。
由于该阀由电磁铁直接驱动,在设计先导级时应考虑流力对驱动力的影响。
3.模拟研究
由以上理论分析及分析阀的一些参数的定性影响可得阀的数字模型。
在这部分,基于以上数学方程的模拟先导阀用于研究参数对主阀动态特性的定性影响。
3.1孔R1带来的影响
图5中的模拟结果显示当动态孔R1的直径从一个确定值开始变化,两个阀门的振动机率和阶跃响应幅度会在某种程度上增加。
如果孔R1的直径大于1.8mm,阀的阶跃响应和振动在相同的幅度,因为R1影响整个系统的孔口。
R1的直径范围为1.0~1.3mm。
图5 孔R1的影响
3.2面积ap的影响
在模拟中,当质量不变时,先导阀的直径变大。
图6表明当阀芯部分的直径相当大时,以相同速率增大的动态孔振动频率变大,因为系统的动态因素随着阀截面积的减少而降低。
图6 面积ap的影响
3.3第二阀工作面积的影响
在整个模拟过程中,阀的参数设计如下:
首先,下腔面积保持不变。
随着上腔面积的增加,面积比例增大。
如图7所示,面积比例的变化阀的动态特性嵊没有影响,仅当输入流量增大时,因为面积比例的增大,系统上升时间增长。
图7 上腔的工作面积影响
图7所示为孔R4的影响,随着孔R4增大的影响,阀的吃斋时间显著减小。
同时,其过度减小及振动时间变少,这些都和理论分析相应证。
相反的,当上腔面积保持不变时下腔面积改变,曲线如图8所示,下腔面积的改变对阀的动态特性几乎没有影响,因为当下腔面积变大时,输入流量没有明显的改变,因此,系统的上升时间增长。
这些在传递函数图中能够看出,这意味着第二个第二阶部分被一个比例部分替代。
因为V0与两个面积直接成比例,所以几乎不变大。
图8 下腔的工作面积影响
3.4反馈弹簧刚度的影响
因为弹簧刚度反馈由电磁特性决定,应该确定电磁铁用于线性领域,电磁铁上的电流范围应该尽可能足够大以支持结果放大。
因此,反馈弹簧刚度只能在很小的范围内变化。
3.5先导阀口的流力影响
先导阀采用环形阀口。
环形阀口数和阀口形状的改变会影响阀的流量,进而影响流力。
从理论图表可知,当阀从确定位置回到理论位置时,流力使阀芯重置,但是如果没有流力。
阀芯会振动,有流力和没有流力的代表性模拟结果如图9所示。
图9 先导流力影响
4.实验研究
图10是大流量级比例伺服阀的液压测试台。
图11是测试台的数据流程图。
一些测试台和测试阀的主要部件排列在桌面上。
测试系统硬件有:
移动泵,安全阀,测试阀,促动器,压力传感器和相关数据采集处理设备。
因为测试系统没有负载,所以阀的流量是非常大的。
因此,很难用流量计测试流量。
在这个测试中,液压促动器的速率用于计算流量。
图10 测试台原理
图11 数据采集
在阀的理论分析基础上,模拟计算得出阀的关键结构尺寸,并且生产出大流量电液比例阀,70%阀的阶跃响应曲线如图12所示,100%阀的阶跃响应曲线如图13所示,测试表明主阀口压力差异大约为8MPa。
通过计算,当主阀口压力差异为0.5MPa时,流量为1620L/min,这和测试结果的1500L/min非常近似,在图12中,因为测试促动器达到最大位移,流量在100ms时,开始下降主。
由模拟结果可知,先导级的上升时间大要为20ms,和电磁铁的滞后时间一起算,这个上升时间接近测试所得时间40ms,这同样表明模拟很成功。
图12 70%阀的阶跃响应 图13 100%阀的阶跃响应
5.结论
(1)没有数字反馈,在控制回路中不能实现补偿控制。
所以,先导阀的稳定性对整个系统非常重要。
(2)在先导级和第二级之间包括机械反馈内循环。
通过以上分析可知,动态孔R1是提升先导级稳定性的核心部分。
先导阀的粘性摩擦系数非常小。
孔R1的扩大影响先导级的阻尼比,通过以上模拟分析,有助于先导级直径的没计,这个值为7mm,另直径1.3mm的孔有助于增强稳定性并大大减少过冲。
(3)对于主级段,通过设计好的液压桥可使其稳定性优于先导级。
对于大流量阀,流力影响不可忽视。
在这里,这种主级段的设计可以增强避免流力影响。
通过上述分析,通过小心设计和精选大流量级电液比例阀的结构和组件。
并维持其自然压力和流量比例的良好特性,阀的稳定性能够得到很好的改进,另外,高精度控制和良好稳定性的系统更使人满意。
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- 流量 级电液 比例 插装阀 动态 特性