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)簡單，該插入式多功能閥具有流量大、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，因此應(yīng)用廣泛。研究人員對其流場、動靜態(tài)特性、控制算法和結(jié)構(gòu)設(shè)計進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先導(dǎo)閥流量進行放大,因而在大流量控制場合具有優(yōu)勢。因此在本研究中,對主級基于流量放大原理、先導(dǎo)級采用位移電反饋的兩級插裝比例節(jié)流閥動靜態(tài)特性進行分析,并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行探討,為該類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,其由主級和先導(dǎo)級構(gòu)成,主級包括閥芯、閥套和蓋板等,先導(dǎo)級采用直動式比例閥。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通過先導(dǎo)閥流量q式中:K主閥芯動力學(xué)平衡表達式為式中:C當主閥處于穩(wěn)態(tài)時,且忽略液動力和主閥復(fù)位彈簧剛度的影響,式(5)可寫成若A式(7)表明,當主閥處于穩(wěn)定時,p通過主閥口流量qK通過主閥芯反饋槽可變液阻流量q式中:K級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,主閥對先導(dǎo)閥流量的放大倍數(shù)g為式(18)(19)中的下標字母0表示某一穩(wěn)定工作點。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)級和主級結(jié)構(gòu)參數(shù)、級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)進行分析存在困難,故在后續(xù)研究中,將利用仿真軟件對其進行研究。2實驗評估與模擬建模2.1閥口壓降系統(tǒng)搭建如圖2所示的試驗裝置,主閥為16通徑插裝閥;先導(dǎo)閥為力士樂4WRPEH6型直動比例閥,額定流量12L/min(閥口壓降7MPa),在100%輸入信號和幅值下降3dB條件下的頻率為60Hz。3個壓力傳感器分別測量主閥入口、出口以及控制腔壓力;兩個齒輪流量分別測量先導(dǎo)閥和主閥輸出總流量;主閥芯位移由差動電感式直線位移傳感器測量。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)閥控制信號均由dSpace完成。2.2簡化間隙流動模塊利用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)形間隙流動模塊(RingGap)進行簡化替代。此外,模型中還考慮了主閥液動力、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,并對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置即可實現(xiàn)。其他主要參數(shù)與圖3實驗裝置中元器件參數(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)的實測結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致,無明顯超調(diào)和振蕩。圖6、7分別說明了x3計算精度驗證通過上述內(nèi)容可知,研究過程中所建立的仿真模型具有一定可信性和計算精度,可以依據(jù)此模型開展后續(xù)研究。由圖9可知,隨反饋槽預(yù)開量x圖12說明了主閥壓降對q圖13說明了u在圖14中,當u圖15驗證了先導(dǎo)閥通流能力對主閥輸出流量死區(qū)范圍的影響。在圖中,q5插裝主閥模型設(shè)計1)主閥反饋槽預(yù)開量導(dǎo)致該閥流量放大倍數(shù)隨輸入電壓增加而增加,但可以通過改變主閥口過流面積形狀,以增大主閥行程,從而減小反饋槽預(yù)開量對流量放大倍數(shù)的影響。2)主閥表面反饋槽預(yù)開量與面積梯度是關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,對主閥輸出流量動態(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)計此類比例節(jié)流閥時,先導(dǎo)閥頻寬無需過大。為了提高此類比例節(jié)流閥動態(tài)響應(yīng),應(yīng)減小先導(dǎo)閥級與主級之間的過渡容腔體積,體積越小,響應(yīng)