（机械电子工程专业论文）基于流量放大原理和电反馈原理的比例阀研究.pdf

太原理工大学硕士研究生论文 基于流量放大原理和电反馈原理的比例阀研究 摘要 本论文分析了目前常用比例阀的类型、功能、特性，并针对其不 足提出新的改进方案，即：以流量放大，电反馈两个原理为基础，通 过对流量闭环控制及压力流量复合的计算分析、确定最小控制压差及 流量控制范围，确定主阀结构、功能特性研究等，提出了“流量 负载压力变化位移修正”的控制原理和压力流量双闭环控制原理， 并进一步论述t n 用一个比例控制器和一个“电一机械转换器”就可 完成独立的压力或流量控制功能以及流量压力复合控制功能。 文章还在对瑞典v a l v i s t o r 阀的插装比例阀研究的基础上，提出 了一种新的流量控制原理，即；通过对流量控制和“液压晶体管”原 理的分析、流量控制特性及阀内腔主要结构件的设计计算，在主阀和 导阀之间增设先导减压阀，并进一步对v a l v i s t o r 阀的流量控制阀之 无压力补偿先导减压阀、加入压差补偿减压阀后的控制特性进行了仿 真计算和负载特性仿真计算，结果表明：增设压力补偿先导增压阀后， 其控制特性曲线变得非常线性，从而消除了液压系统负载压力变化对 主阀输出流量的影响。 太原理工大学硕士研究生论文 主要研究工作包括： ( 1 ) 研究比例阀各组成环节的特性，建立它们的数学模型。 ( 2 ) 研究a 、b 两种先导液压半桥对阀性能的影响。 ( 3 ) 针对常用的四种插装型液压主阀，采用新流量控制原理控制流量 时的性能进行研究，并进行常闭和常开两种工况的研究。 ( 4 ) 对新设计的流量放大型比例流量阀的动、静性能进行全面的理论 分析，计算机仿真和实验研究，并确定主要结构形式和参数。 关键词：流量放大，电反馈，复合控制，压差补偿 太原理工大学硕士研究生论文 r e s e a r c ho nt h ep r o p o r t i o n a lv a l v ew i t h e l e c t r i c f e e d b a c ka n dt h ep r i n c i p l eo f f l o wa m p l i l y a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y s e st h et y p e 。f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fu s u a l p r o p o r t i o n a lc o n t r o lv a l v e sa n dr a i s e san e w m o d i f i c a t i v ev e r s i o ni nt h e l i g h to ft h e i rd r a w b a c k t h a ti s ，b a s i n go nt h ep r i n c i p l eo ff l o w a m p l i f i c a t i o na n de l e c t r i c a l f e e d b a c ka n dt h r o u g h o u tc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so nf l o wc l o s e dl o o pc o n t r o la n dp r e s s u r ef l o wc o m b i n a t i o n ， d e t e r m i n a t i o no ft h em i n i m u mc o n t r o l l e dp r e s s u r ed i f f e r e n c e 船w e l la s f l o wc o n t r o l l i n gr a n g ea n ds t r u c t u r eo fm a i nv a l v ea n dr e s e a r c ho ft h e d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dc o n t r o lp r i n c i p l e o f “f l o w - l o a dp r e s s u r ec h a n g e d i s p l a c e m e n tr e v i s i o n a n dp r e s s u r e f l o w d o u b l ec l o s e dl o o p ，a n df u r t h e re x p o u n d st h a tu s i n gap r o p o r t i o n a l c o n t r o l l e ra n dae l e c t r i cm e c h a n i c a lt r a n s d u c e rc a ns e p a r a t e l ys e r v et h e c o n t r o lf u n c t i o no f p r e s s u r eo rf l o wa sw e l la sf l o wp r e s s u r ec o m b i n a t i o n t h r o u g hr e s e a r c h i n gp r o p o r t i o n a lc a r t r i d g ev a l v eo fv a l v i s t o rv a l v e m a d ei ns w e d e n t h ep a p e rr a i s e san e wp r i n c i p l eo nf l o wc o n t r 0 1 1 1 l a t i i i 太原理工大学硕士研究生论文 i s ，t h r o u g ha n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo nf l o wc o n t r o la n d h y d r a u l i c t r a n s i s t o r ”，d e s i g na n dc a l c u l a t i o no ff l o wc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ca sw e l l a sm a i np a r t si nv a l v ei n n e rc h a m b e r ，ap i l o t e dr e d u c i n gv a l v ew i l lb e i n s t a l l e db e t w e e nm a i nv a l v ea n d p i l o tv a l v e a f t e rap r e s s u r e - d i f f e r e n c e ， c o m p e n s a t i n gr e d u c i n gv a l v ew a sa d d e di nt h en o n - p r e s s u r ec o m p e n s a t i n g p i l o t e dr e d u c i n gv a l v eo ft h ef l o wc o n t r o lv a l v ei nv l a l v i s t o rv a l v e ，t h e c a l c u l a t i o no nc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i ce m u l a t i o na n dl o a dc h a r a c t e r i s t i c e m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u t n er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o ns h o w st h a t ， a f t e rp r e s s u r ec o m p e n s a t i n gr e d u c i n gv a l v ew a s a d d e d ，t h el i n e a r i t yo f t h e c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e dt h u se l i m i n a t i n g i n f l u e n c eu p o nf l o wb yl o a dp r e s s u r e c h a n g eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n d i m p r o v i n gp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t k e yw o r d s ：f l o wa m p l i f i c a t i o n ，e l e c t r i c a lf e e d b a c k ，c o m b i n a t i o n c o n t r o l 太原理工大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 引言 4 0 年代出现的电液伺服技术，促进了液压技术的向前发展。但是电液伺服阀 由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻，制造成本和维护费用比较高，系统能耗 较大等不足，难以为普通工业用户所接受。而传统的开关型控制系统又不能满足 高质量液压主机的要求，因此人们希望开发一种价廉、可靠、控制精度和相应特 性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术，这也可以说是7 0 年代初以来 电液比例技术得以迅速发展的背景。如今，作为连接现代微电子技术、计算机控 制技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，这一技术已在工业领域获得广泛应用， 正如一些权威人士指出的那样，它代表着流体控制技术的发展方向“。电液比例 阀如同电子技术中的晶体三极管、二极管一样，是这一技术的组成核心。所以为 研制性能优良、结构简单、成本低廉、能同时为生产厂家和用户欢迎的电液比例 阀提供理论和设计依据，对推动整个液压技术领域的向前发展具有重要的理论意 义和使用价值。目前常用的比例阀可归纳为以下几种形式。 1 2 比例压力控制阀研究工作综述 1 9 6 7 年瑞士布林格尔公司生产的i ( l 比例方向节流阀用于船体表面除锈涂漆 工艺，出现了世界上最早的比例阀锄1 9 7 1 年和1 9 7 2 年日本油研公司相继申请了 比例压力阀和比例流量阀的专利“1 ，引起了许多国家及公司的广泛重视，推动了 比例技术的发展。这期间出现的比例压力阀( 溢流阀、减压阀) 基本上是以传统手 调液压阀为基础发展而来，区别仅是用比例电磁铁取代了阀上原有的弹簧手调机 太原理工大学硕士研究生论文 构， 图l - i 比例阀种类 阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，小流量阀采用直接作用式结构，大流量 阀仍采用了1 9 3 6 年美国人哈雷维克斯( h a r r y v i c k e r s ) 发明的“差动式压力控 制原理”慨”。因不包含受控参数的反馈闭环，控制压力随着负载流量不同而改变 是这种阀的主要弱点，且因比例电磁铁性能较差，这种阀工作频率低( 仅有1 5 h z ) ，稳态磁环较大( 4 7 ) ，体积也大，所以多用在开环系统 1 8 0 年代初，我国浙江大学的路甬祥教授提出了压力直接检测原理“1 ，他设计 应用这一原理的比例溢流阀还获得了德国发明专利1 。按此原理，国内外研制的 比例溢流阀、减压阀、手调型溢流阀和减压阀的性能都获得了显著得提高，实现 了人们长期以来所追求的等压力特性| 1 0 - 1 4 这就是第二代比例压力阀。 进入8 0 年代中期，比例压力控制技术的又一进展是出现了被控压力压力传 感器检测，电器闭环校正的新一代阀，采用这种原理可将电一机械转换器的非线 性和先导阀的非线性扰动都包括在闭环之内，因而可实现无静差控制，同时利用 电器校正也可以很方便的改变阀的稳定性和快速性。文献( 1 5 1 7 ) 采用力矩马 2 太原理工大学硕士研究生论文 达驱动单喷嘴挡板阀作先导级的压力直接电检测型比例溢流阀和减压阀，其稳态 特性达到了几乎完美的程度。油研公司同期推出的这种比例溢流阀更是将电控器、 测量放大器、压力传感器与阀集成为一体，阀上还带有压力数字显示以及报警装 置“”“2 0 1 。同时国内浙江大学也研制成功了采用这一原理和p i d 技术的三通型 比例压力阀，获得了同样效果 1 9 1 。近年来国外为完善这一技术，还发展了将a d 、 d a 转换器、测量放大器与检测单元集成为一体的压力传感器，降低了生产成本、 提高了可靠性和精度k 2 0 可以说这一技术将成为比例压力控制的主要手段。 在模拟比例元件发展的同时。数字式的比例控制阀也获得了蓬勃的发展。由 步进电机驱动的增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵的高速开关型数字压力阀 都己达到了实用阶段k 2 1 - 2 4 。同模拟式阀相比，数字阀的优点是更抗污染，开环控 制精度高，无须数模、模数转换器就能直接与计算机接口连接，不足之处是受控 制功率的限制，系统频宽较底，使应用受到了限制。 此外日本油研公司开发的一种带溢流阀的比例减压阀具有三通结构，当油液 从减压阀的二次压力口流人时，其回油口自动开启，阀就能起到溢流阀的功能 “”，可避免动力、弹性等负载造成的压力冲击。浙江大学的液压研究所开发的 插装形三通比例减压阀也具有上述功能，并可保证阀在无负载流连时的控制性能 和双向通油的能力，完善了压力控制功能协嚣1 。 为改善压力阀的性能，国内外的科学工作者做了大量的研究工作。受检测条 件的限制，早期的研究工作多是应用经典的控制理论方法对阀的静动态性能从理 论上做出解析，为设计提供了一定的理论依据啪。“1 。近几年随着计算机和测 试技术的发展使人们能采用数字仿真及试验测试的方法对压力阀的机理作进一步 3 太原理工大学硕士研究生论文 的揭示其中最值得提及的有：( 1 ) 德国阿亨工大的d w o b b m 在1 9 7 8 年完成的 题为“特别考虑到液动力时先导溢流的静态和动态性能”的博士论文中 z 4 t 对传 统的先导溢流阀的静动态性能做了大量的试验和数字仿真研究，并着重研究了液 动力问题。( 2 ) 阿亨工大的h l z i m c b m a n 在其1 9 8 4 年完成的题为“先导式液压 阀静动态性能的研究”博士论文中对多种形式减压阀的静动态性能进行了全面的 仿真和试验研究，并首次研究了压力直接电检测的比例减压阀“”( 3 ) 阿亨工大 的f z e h n e r 于1 9 8 7 年完成了题为“采用压力直接机械检测与电检测的先导压力 阀”的博士论文哺1 ，重点研究了直接检测的比例压力阀，并特别研究了采用直接 电检测的比例溢流阀。( 4 ) 我国浙江大学的郁凯元在其博士论文工作中分别研究 了采用系统压力直接检测和主阀芯速度反馈的比例溢流阀和减压阀，并提出了采 用主阀的三通结构来改善比例减压阀在无负载时的控制性鲥”。此外国内吴良宝、 田树军等人对待先导油量恒定器的减压阀，和多种先导级结构的直接检测型溢流 阀进行了仿真和实验研究汹嚣1 ，文献( 4 0 、4 1 ) 分别从阻尼网络及振动理论方面 对溢流阀噪声产生的机理及消除等方面作了理论分析和实验研究工作，取得了一 定的效果。1 文献( 4 2 ) 就先导式锥阀的液动力进行了分布参数及可视化研究，给 出了锥阀芯表面压力场的分布规律。文献( 4 3 ) 提出在主阀芯上开不同的圆形槽 的方法改善了先导式溢流阀的压力流量特性。文献( 4 4 ) 研究了在滑闽土开槽的 方式来消除滑阀的稳态液动力并用这种方法设计了单级的打流量溢流阀，取得了 双级控制同样的效果。文献( 4 4 ) 分别对采用导向柱塞的单级溢流阀和带液动力 补偿凸台的直动型锥阀进行了研究。 在对已开发使用的压力阀性能进行大量分析和描述性研究的同时，不少人致 4 太原理工大学硕士研究生论文 力于从结构原理上对阀进行改进。这方面有： l 、1 9 8 2 年3 月瑞士苏黎世工大的a v v a m o v i c 在第五届a f k 国际会议上发表 了随动型溢流阀的结构和性能的论文，提出用主阀芯与导阀芯之间的位置随动反 馈来提高压力直接检测型以流阀的快速性和稳定性方法并获得成功，该阀具有较 好的压力流量特性。 2 、文献( 5 、6 ) 介绍的比例溢流阀，增加了先导阀调节弹簧的位移电闭环， 提高了阀的稳定性和控制精度，其稳态磁环己小于0 5 。 3 、l983 年2 月德国阿亨工大的f w e i n g a n t e n 应用线性液阻代替圆孔阻 尼器，使溢流阀的动态超调量及快速性获得改善。 4 、文献 9 、1 0 开发研究了采用液动力补偿的大流量直动型比例溢流阀，简 化了阀的结构，文献( 7 ) 对这种阀所采用的液动力补偿方法作了进一步研究。 5 、1 9 8 1 年9 月德国r e x r o t h 公司最早申请了采用压力传感器检测被控输出 压力的“压力调节阀”专利，该阀的压力传感器与比例电磁铁集成为一体。198 6 年日本的油研公司申请了压力直接电检测比例溢流阀的专利19 86 年德国 p a r k e r 公司申请了采用系统压力间接电检测的比例溢流阀的专利，这些都推动了 压力电检测技术的向前发展。 1 3 比例流量控制阀研究工作综述 目前最基本的比例流量控制阀为仅控制阀口开度的比例节流阀。早在6 0 年 代末就出现了比例电磁铁直接驱动的单级比例节流阀，这种阀由于受电一机械转 换器输出力及行程限制和稳态液动力的影响，只适用于小流量的场合，且位置刚 度也较低。为改善这种阀的性能，近年来大多数直动型比例节流阀都采用了阀芯 5 太原理工大学硕士研究生论文 位移电检测的闭环控制原理。直动式阀的最大优点是其动特性几乎与工作压差无 关，所以他在很低的工作压差下工作当负载需求的流量较大时就必须采用先导 型的结构，最新一代的先导型比例节流阀，同样采用了电闭环原理，其性能亦非 常优良。 、 8 0 年代中期，节流阀的另一发展是国外首先出现了位移电反馈型三通比例节 流阀m 1 ，这种阀能对两个方向的油流进行控制，只用一个阀就可以控制差动液压 缸的双向动作。同期国内浙江大学也研制出了采用双向比例电磁铁控制双可变节 流口作先导阀和主阀位移力反馈的三通节流阀，该阀与耐高压双向动态流量传 感器配套构成的三通型比例流量阀还获得了发明专利阳1 。此外美国的m o o g 公司 利用压力电反馈和位移电反馈技术研制成比例方向、压力、节流阀盯l ，能同时对 负载腔压力和节流口开度进行精确控制。 另外，流过节流口的流量除取决于节流口的通流节面积外，还与节流口前后 的压差有关。最初的流控阀就是采用压差定值阀对系统的压力变化进行补偿。使 得节流口前后的压差保持恒定，从而实现输入信号对流量的单调控制。最早的比 例流控阀也采用了这一控制原理。这种阀的不足之处是由于受作用在减压阀芯上 液动力的影响负载压差变化时等流量特性不佳，另外由于减压阀必须采用常开 结构，在启动和负载压力突变时会产生很大的流量超调n 叮采用先导型的定差减 压阀可改善这种阀的等流量特性。这种阀的补偿阀如采用一溢流阀，并于节流 阀并联连接，可构成三通型调速阀。此阀的特点是工作是系统压力始终随负载压 力的变化而升降，效率较高。日本油研公司利用节流阀的电反馈提高了这种阀的 控制精度1 1 9 ) 。该阀的等流量特性同样可以采用先导型溢流阀而获得改善1 。作为 6 太原理工大学硕士研究生论文 这种调速阀的补充，日本工业株式会社推出了一种名为优先型的流控阀。该阀的 定差减压阀采用了三通型结构，就使得二通调速阀控制回路也具有节能的特性， 同时还可以带动两个负载，、而三通流控阀则只能控制单个执行机构。 8 0 年代初，流量控制技术的一大发展是出现了含流量闭环控制的比例流量 阀，该类阀采用阀口特殊造型的二通插装阀实现流量一位移或流量一压差的线性 转换“。图卜2 是采用这一传感器及不同反馈形势的比例流控阀的结构原理图。 图1 吨新原理比例流量阀结构原理 f i 昏l 一2t h es t r u c t u r ep r i n c i p l eo f n e wp r i n c i p l ep r o p o r t i o n a lf l u x 其中图a 为流量一压差转换反馈型。工作时输入力与传感器两端的压差进行 比较，控制精度完全取决于流量传感器的流量压差转换精度而与负载的变化无关。 图b 所示采用了流量位移力反馈控制，流量传感器与导阀芯同轴布置，其位移 7 太原理工大学硕士研究生论文 通过一个弹簧转换为力反馈到导阀芯端面与输入力进行比较，该阀的控制精度取 决于流量传感器的流量位移转换精度和反馈弹簧的位移一力特性。图c 所示为流 量力反馈型的三通调速阀。图d 所示阀采用了流量电反馈原理，将流量传感器的 位移用一电感式位移传感器转换成电压后再与输入电压直接比较对流量进行控 制，该阀由于将电机械转换器包含在闭环之内进一步提高了阀的流量控制精 度。阿亨工大还研制了主阀芯位移和流量传感器位移双电反馈的比例流控阀m ， 用主阀芯位移电反馈来改善阀的稳定性此外也有采用流量传感器先导阀芯随动 反馈的比例流控阀。采用流量反馈原理的阀同采用负载压差补偿的阀相比，虽然 基本组成相同，只是油路连接关系略有改动，但由于前者是闭环控制系统，所以 稳态等压力特性有很大提高，同时也消除了原有阀中的动态流量超调。 虽然早在19 世纪中叶就出现了应用差压补偿原理的流量控制阀。其控制原 理也一直沿用至今，但是与压力阀不同，因流控阀本身由两个相互独立工作的压 差补偿阀和一节流阀组成，几乎不存在不稳定因素和噪音、啸叫等缺陷，所以人 们对它的研究并不像对压力阀那样深入和广泛，而研究工作的重点也是放在如何 减少动态过程中的流量超调和稳态等流量偏差及一些结构参数的优化。其中较突 出的工作有：( 1 ) 德国阿亨工大的r m t r u d z i n s k i 在其博士论文中对多种结构形 式流量阀的性能做了全面的理论分析和实验研究，并对动态流量超调做了重点研 究。( 2 ) 我国浙江大学的路甫祥教授于8 0 年代初提出了“流量位移力反馈” 等新原理。极大的改善了比例流量控制阀的性能，并获得多项发明专利。( 3 ) 瑞 典l i n k o p i n g 大学的b r _ a n d e r s s o n ，在l98d 年完成的博士论文中提出一种 新的比例节流阀，该阀利用在主阀芯上开槽的方法实现位移一流量反馈，并同时 8 太原理工大学硕士研究生论文 产生主阀芯的速度反馈，所以稳定性好。在此基础上，他还提出一种新的流量控 制原理，即“流量放大”原理，仅通过控制先导阀的流量就可对主阀的流量进行 控制，简化了流量阎的结构。( 4 ) 我国学者吴东平l988 年在日本完成的博 士论文中，就所提流控阀的动静态性能进行了全面深入的研究啪“1 。他还提出在 文献( 3 3 ) 所提节流阀的基础上采用“面积补偿法”来消除因负载压力变化造成 的流量改变，使阀的输出流量在一定范围内不受负载压力的影响，是一种较简单 的先导控制型比例流量阀。此外国外的伊藤清( 日本) ，w h a h m a n ，g s c h e f f e l ， y o d a ( 德国) 等人对先导型控制阀的性能进行了理论分析和实验研究”“。国内 路甬祥、吴根茂、周洪等人对流量反馈型流控阀的性能进行了较深入的研究。王 庆丰对流控阀的压力补偿器进行了研究，采用“测压点”及流场变化补偿方法提 高了阀的控制精度 1 1 4 论文的研究目的和意义 1 4 1 现有技术的不足和有待改进之处 综上所述，对于传统开环控制的比例阀而言，其性能的任何一点改进和提高， 都会增加阀结构的复杂性和制造难度如果采用被控制量直接电检测原理，这既 可简化结构，又可提高性能，同时为只能控制、故障自身诊断，参数优化和多功 能复合控制提供了方便，是电液比例技术的发展方向，但还存在如下有待改进之 处：( 1 ) 电闭环阀成本较高，目前只能为一些特殊用户所接受；( 2 ) 目前的电闭 环阀无一例外的都采用了模拟p i d 调节器，并在检测或反馈通道出现故障时阀就 无法正常工作，甚至处于危险工况，所以必须增加额外的安全保护装置：( 3 ) 电 闭环阀一般来说要产生不稳定问题；( 4 ) 受目前动态流量检测手段的限制，还不 9 太原理工大学硕士研究生论文 能真正的实现输出流量的电闭环控制，而利用位移传感器和二通插装阀来检测动 态流量，对流道有阻断作用，仍无法构成复合控制阀：( 5 ) 目前比例阀种类较多， 为用户造成不便。因此提供新的控制方法和动态流量检测原理，并利用模拟和数 字两种方式解决上述问题。就很有理论和实际意义。 1 4 2 论文的研究对象 本论文的研究对象1 ) 阀采用新提出的“流量负载压力变化位移修正”控 制原理和压力流量双闭环控制原理，因而只用一个比例控制器。一个电机械转 换器就可完成独立的压力或流量控制功能及流量压力复合控制功能。当用于实际 时，可根据对控制信号的切换实现目前多种比例阀的功能。2 ) 阀采用了流量放大 原理，是本文的研究重点。 1 4 3 论文的主要研究内容 针对国内外电液比例阀所面临的主要问题就本论文提出的研究对象，主要进 行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 研究比例阀各组成环节的特性，建立它们的数学模型。 ( 2 ) 研究a 、b 两种先导液压半桥对阀性能的影响。 ( 3 ) 针对常用的四种插装型液压主阀，采用新流量控制原理控制流量时的性 能进行研究，并进行常闭和常开两种工况的研究。 ( 4 ) 对新设计的流量放大型比例流量阀的动、静性能进行全面的理论分析， 计算机仿真和实验研究，并确定主要结构形式和参数。 1 0 太原理工大学硕士研究生论文 第二章电液比例控制阀系统学研究 2 1 概述 任何结构的电液比例压力或流量阀都可用图2 1 表示其基本构成和控制原 理。其中单一功能的阀只能控制压力或流量中的一个液压变量，而另一个则作为 负载变化量或干扰因素。就框图所示，任何一个比例阀都可看成一复杂的控制系 统。它共由控制单元，电机械转换单元、先导液桥、液阻网络、级间容腔、功率 输出级、负载容腔和检测反馈单元八大部分组成，所以这八个单元的运动特性及 它们之间的耦合关系就决定了所构成比例阀性能的好坏。 出 图2 一l 比例阀的结构及控制原理框图 f i g 2 - 1t h ep r i n c i p l ef r a m eo ft h es t r u c t u r ea n dc o n t r o lo fp r o p o r t i o n a l 2 2 比例控制单元对阀性能的影晌 太原理工大学硕士研究生论文 比例控制单元由比例放大器和调节器( 电闭环控制阀才有) 两部分组成。比例 放大器的作用是为电机械转换器提供不随外界环境变化及扰动而变动的恒定电 流和给出某种形式的设定值。比例放大器按其功率放大级的工作状态可分为模拟 式和开关式两大类，他们都用电流负反馈的恒流原理工作。高性能比例阀要求控 制器应具有良好的稳态控制性能、高的动态频响、好的可靠性、强抗干扰能力及 完整的辅助功能，特别是对电气闭环控制的阀而言，控制器的动态频宽将直接影 响调节器对阀的校正结果。图2 - 2 是采用两种不同形式的控制器时实测电闭环比 例溢流阀的静动态性能曲线。 厂岬即y 二 尸1 二二 1 3 ，取 斟舜幽 图2 - 2 比例放大器动态响应对闭环阀性能的影响 f i g 2 - 2t h ee f f e c to fp r o p o r t i o n a la m p l i f i e rd y n a m i cr e s p o n s eo nc l o s e d l o o pv a l v ec h a r a c t e r i s t i c s 上述表明，当控制器频晌低时，如普通v t _ 4 0 0 0 型比例放大器，频宽约40 1 2 n ， h 享 霉蒋辱 太原理工大学硕士研究生论文 hz ，由于其相位的滞后，使得微分校正已几乎不起作用，小流量时，己无法使电 闭环比例溢流阀稳定( 曲线d ) ，而稳态时因比例调节增益k 。无法提高，控制精度 也较低( 曲线a ) 。同样情况，采用高频响的放大器，可使闭环阀的动态稳定性和 控制精度获得很大的提高( 曲线c ，b ) ，因此，选用浙江大学新研制的b k t 型高响 应比例放大器。该控制器在其功放级采用了负电位的“反击载荷”原理，大大缩 短了控制电流下降时的时间常数，小信号时，频宽已达2 0 0 h z ，其传递函数相对 整个阀系统可视作总增益为疋、足一；比例环节即： 筹= 屯= k ( 2 2 1 ) 其中“为电流比例增益，墨为功率驱动电路增益 2 3 电一机械转换器 电一机械转换器的作用是将输入的电信号转换成与之成比例的力或位移来 驱动先导级阀芯，它是电液比例阀的关键部件，其静动态性能将对阀产生直接影 响。对它的要求是：稳态，电流一力特性具有良好的线性度、较小的滞回和死区。 动态，阶跃响应快，频响高。目前比例阀中常用的电一机械转换器有动铁式力矩 马达和比例电磁铁两种，其中比例电磁铁行程大，价格低，静特性好，被广泛应 用。力矩马达结构紧凑，输出力大，动态频响高，用来提高比例阀的频响及用来 控制电闭环的比例阀，但其稳态滞回较大。 本论文仍采用比例电磁铁作为电一机械转换单元。其电磁环节的数学模型 为： 。 姒力= 岛掣枷皿+ 暗。 ( 2 3 1 ) + 口口 即从比例放大器功放级平均电压到电磁铁线圈平均电流之传递函数为： 1 3 太原理工大学硕士研究生论文 q 啦端2 硼1 ( 2 3 2 ) 式中，厶：比例电磁铁线圈等效动态电感； r ：比例电磁铁线圈电阻( 包括供电电源等效内阻) ； e ：比例电磁铁线圈电压； i ：比例电磁铁线圈电流。 从电磁铁线圈电流到产生电磁力的过程又表现为一延迟环节，即动态吸力的变化 滞后于电流的变化，故线圈电流到电磁铁吸力的传递函数： q g ) = 如p 。 ( 2 3 3 ) 其中靠为电流一力增益。 当采用高频响控制器后，电磁铁输出力频宽在峰值为额定值的5 0 9 6 时就达到 l o o h z ，波动量为额定值的1 0 时则可达2 0 0 h z ，丽比例阀的频宽多在2 0 h z 以下， 所以采用这种转换器已不构成限频因素，可将其视为一比例环节。图2 4 3 中曲 线c 、d 是作者应用不同的电机械转换单元所测的比例减压阀的频率响应曲线， 可见采用新的转换单元，( bkt 放大器与优化后的比例电磁铁) ，不仅可用来控 制电闭环的比例阀，而且可提高现有比例阀的动态响应快速性。 另外，值得提及的是德国hachen 工大己成功地将普通开关型电磁铁用 于比例阀，用这种方式控制的比例阀的动态频宽已达一百多hz ，由于同比例电 磁铁相比，开关电磁铁具有输出力大，动态响应快，结构简单、成本低的优点。 无疑为比例阀的电一机械转换器提供了一种新的选择 2 4 先导控制液压半桥 电液比例元件内部必须将电一机械转换器输出的微小功率加以转换和放大， 1 4 太原理工大学硕士研究生论文 才能控制主功率级的工作状态，从而实现对大功率液流的控制功能。先导液桥就 是这样一种放大和转换的中间环节。先导液桥共有三种基本方式，分别称为a 型、 b 型及d 型液压半桥。如果将可变液阻上的位移或力作为先导液桥的输入，主级 控制腔的压力或流量作为液桥的输出，先导液桥实质上是一个机械一液压转换器。 图2 3 是三种比例阀常用的先导液桥结构形式及原理。 图2 - - 3 常用先导液桥的结构及原理 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fu s u a l f o r e r u n n e rh y d r a u li c b r i d g e a ：a 型液桥b ：b 型液桥c ：c 型液桥 d ：滑阀 。 e ：锥阀f ：喷嘴挡板阀 此外，先导液桥对主阀响应的快速性也有很大影响。因a 型液桥的压力流量 增益均是b 型桥的两倍，用它作先导级就能使主阀上腔的压力响应速度较采用b 型液桥时提高一倍。而主阀控制腔压力响应的快慢直接关系到整个阀响应速度的 1 5 太原理工大学硕士研究生论文 快慢，所以这种方案可以使阀的响应速度提高许多，这一结果己为试验所证实。 图2 3 是比例溢流阀采用a ，b 两种不同液桥时实测对控制信号的阶跃响应曲线 和频率响应曲线，可见采用a 型半桥时响应曲线的纯滞后，调节时间和上升时间 较采用b 型半桥时均有减少，幅频宽和相频宽均有较大提高。且因减小了先导阀 以前环节的滞后，还增加了阀的稳定性。但应注意的是对于益流阀，当负载容腔 过大时，这一效果将不显著，这主要是因为在这种情况下阀的最低转折频率己非 m 而成为与这一容腔有关的频率。 i 日 t 一 图2 4 先导液桥对比例溢流阀动态响应的影响 ；f i g 2 - 4t h ee f f e c to ff o r e r u n n e rh y d r a u li cb r i d g eo n p r o p o r t i o n a lf l o o d i n gv a l v e sd y n a m i cr e s p o n s e 悖蕾t 日h 矗扣椭k t ，蝴| * i i： “晴l 。 一 柚 _ _ 艟 h _ 祧 孵 h妇m h 瓣_ d * ；l 辟声目咿啪； 强j 、 蚺棋- ，椭、 二多 幻 掣稍“ l i _。2l雌 雠槛 。 图2 5 先导液桥对比例减压阀的影响 f i g 2 - 5t h ee f f e c to ff o r e r u n n e rh y d r a u li cb r i d g eo n p r o p o r t i o n a l d e p r e s s i o nv a l v e 1 6 太原理工大学硕士研究生论文 比例阀对先导控制液桥的要求是：( 1 ) 可变液阻的控制力要小，先导级移动部 件y 有较小的惯性才能保证较高的灵敏度。( 2 ) 先导液桥的控制流量要小，以使减 小控制功率的消耗。( 3 ) 液桥的输出压力只和对排油腔的流量幺应与控制信号y 呈近似的线性关系和较大的增益。( 4 ) 固定和可变液阻均应采用对小流量敏感的结 构，同时要兼顾通流面积以防止阻塞。 2 5 级间液阻网络 由于典型的液桥几乎不存在动态阻尼作用，因而人们就在先导阀和主阀之间 加入一阻尼网络来得到使阀稳定工作的阻尼。图2 6 是常用的三种阻尼网络。网 络中液阻r1 用来与先导阀一起构成b 型液桥，r2 是主阀芯波动时产生阻尼作 用所必不可少的液阻，称为动态液阻。另外r 3 的存在使阀的阻尼大大增强。在网 络1 中阻尼作用主要由r 2 来控制，要获得大的阻尼必须将r 2 的小孔直径做得很 小。在网络2 中r 2 同时影响动态阻尼，在阻尼孔直径较大时也能获得较大的阻尼。 对提高阀的抗污染能力非常有益。实验还表明，网络2 中的液阻r 1 并不起多大作 用，因而可简化为网络3 的形式。但这种网络会使阀产生一定的压力偏差和增大 溢流阀的卸荷压力。图2 7 是分别采用1 和2 两种液阻网络时比例溢流阀的负载 流量阶跃响应仿真曲线，其结果可证实以上的分析。 1 7 太原理工大学硕士研究生论文 d 畦 詹 a l ，、 j ， ，暑 j芦 i q 最毋 k - 卅 e _ 嚆 r 图2 6 常用阻尼网络 f i g 2 - 6u s u a ld a m pn e t w o r k d r l ；n s m 啊。d - 乜_ 1 咖 l 。雠国靠嘲辅嘞出i 2 椭删嘲柚咄2 3 。岫魄秘畦脚喊3 图2 7 液阻网络对比例溢流阀阶跃响应的影响 f i g 2 - 7t h ee f f e c to fh y d r a u li cd a m pn e t w o r ko nt h es t e pr e s p o n s eo f p r o p o r t i o n a lf l o o d i n gv a l v e 以上液阻网络只是利用液阻两端的压差来产生阻尼作用，其效果并不很显著， 最新研究成果是利用动态时这一压差反馈到滑阀式先导阀芯的两端面，利用端面 积将这一压差进一步放大，使阻尼作用大大加强，只要很小的液阻就能产生足够 的阻尼作用，使阀稳定工作，它不仅对主阀的运动起阻尼作用，同时还影响导阀 的运动，即在先导级和主功率级之间建立了级间反馈。从理论上分析，它相当于 增加了主阀芯的速度力反馈。论文中第3 章的比例节流阀即采用了这种阻尼网络。 1 8 太原理工大学硕士研究生论文 2 6 液压控制网络中的容腔 由图2 1 知，比例阀中必存在级间控制容腔和负载客腔这两个液容，当考 虑油液的压缩性时，它们必会对阀的控制性能产生影响。这是因为某一容腔内的 瞬态压力产生于该容腔内的净流量( 即流入和流出该容腔流量有代数和) 对时间的 积分，其关系如下： p ( f ) = f 寿e q , d , + p “) ( 2 6 - - 1 ) 式中c 。为液容 白= 薹 像6 | 2 ) 由此可知，同样的净流量，容腔体积v 越大，液容伟就越大，压力p ( t ) 的变化率 就越小，即压力的过渡过程时间越长。由流量计算公式知c 0 也将影响输出流量的 动态响应。因此要进行快速的压力和流量控制时，就必须尽可能减小负载容腔体 积v ，同时也必须减少油中的含气量及避免使用软管连接以便提高整个系统的油 液体积弹性模量e ，减小液容c 。此外，当我们评价、比较一个阀特别是压力阀 的快速性时必须计及这一容腔大小的影响。 相对于负载容腔，控制容腔的体积都非常小，其构成的一阶环节的转折频率 常在几百h z 以上，所以对阀的动态快速性影响甚微，一般均作为比例环节处理， 但应注意的是这一容腔与先导液桥中的液阻构成的r c 网络，在这一容腔较大时将 产生显著的延时作用，对阀的快速性和稳定性都带来影响因此也应使其尽可能 小。 2 7 主功率控制级 同电子控制回路采用大功率的功放管控制大的输出电流一样，为了用小的控 1 9 太原理工大学硕士研究生论文 制信号实现对大功率液流进行控制也必须应用功率输出级一主阀。传统的主阀结 构形式主要有锥阀和滑阀两大类八十年代以来这一环节的发展趋势是采用通流 能力强的二通插装阀作为各种液压阀的主功率级。图争_ 8 是五种常用的插装式主 阀的结构原理及面积增益。它们也有锥阀( a 、c ) ，滑阀( b 、d 、c ) 之分应用于 不同的控制阀又可以是常开或常闭两种工况。有关它们结构参数对液动力，流量 系数，启、闭时间等静动态性能的影响，参考文献等都己做了大量的研究，这里 不再熬述，本文的重点是通过研究，确定一种能同时满足控制压力和流量两个参 量要求的阀形状。 箍嘲笼彤 俄幢磊骛霪 蠢肪 概静渔 拇 雾 露蠢 l 机 l强 曲t j l c 蹦 i 幽j i b埘 o 碡 rl li - 苴r 】llt 闩jilltfi if 矗l llij r _ _ h 鞘ii f rf 啊iilfv lljlli ，lil ir r l i | l lii ll ili el - ，ill ll ，l ll雕时愿攫 f 膏- li l il il f t lji l il ll jr ii1 叠fil 硇艇 1 ，- li iii ，l _ lji 膏lli |jl 一rlr -i ，ll l r j 扫i _ - 一 枷砧篇 4 呻，如知j l 卅- _ f忡刺 蓑器式 曩瞄t - i 由 l 洲t 扫 n 啡 图2 8 插装式主阀结构原理图 f i g 2 - 8t h es t r u c t u r ep r i n c i p l ec h a r to fp l u g g i n ga s s e m b l a g es t y l em a i n 2 8 仿真方法 因比例阀的工作范围并不局限于某个工作点附近，有些因素的影响紧靠理论 分析也很难了解，所以定量的研究还依赖于阀完整数字模型的数字仿真。本论文 在仿真中应用了德国阿亨工大开发的d s h ( g i g i t a ls i m u l a t i o no fh y d r a u l i c 太原理工大学硕士研究生论文 s y s t e m ) 专用程序系统。因该程序考虑了油液和管壁当量弹性随压力变化的函数关 系，液阻及阀口流量系数随雷诺数r e 的变化规律，并用四阶龙格库塔法直接求解 描述系统运动特性的非线性微分方程组，所以仿真与实验结果能实现良好吻合。 图2 9 中曲线a b 分别为传统开环比例溢流阀与减压阀的仿真和试验对比曲线。 但这种方法受阀控制容腔的影响，计算步长必须很小，因而仿真时间较长。 * 霍翱 c l 咕 o 一q m - 柚m鞠、_ 厂遘 l 1 _ 一广 ， 知 ， 夕畸。 蚺 o舒i 雏i 0静 曲 ，岫i 舶 图2 9 比例压力阀仿真与试验对比曲线 f i g 2 - 9t h ec o n t r a s t c u r v eo ft h es i m u li n k i n ga n de x p e r i m e n to fp r o p o r t i o n a lp r e s s u r e v a l v e 2 1 太原理工大学硕士研究生论文 第三章新型比例压力流量复合控制阀特性研究 摘要：提出了负载压力变化，阀开口面积校正的闭环流量控制原理，在此基 础上进一步提出只用一个比例阀复合控制压力和流量的原理，从而仅用结构上最 简单的比例节流阀，即可实现目前需5 种比例阀及其中任二