电液比例变量泵负载敏感阀设计与仿真

电液比例变量泵负载敏感阀设计与仿真

为了满足不同液压泵对现代能源的需求，近年来，液压泵的开发和开发已受到各国的高度重视。自动控制流量和压力的复合控制，手动适应负荷的需求，达到节能的目的。在电气表的负载量敏感变量系统中，负载量敏感阀是其中的重要部件之一，它的设计和分析方法具有实践和重要性。在本文中，我们以电气表的方向上的柱塞流量挤出泵的负荷敏感控制系统为例，分析了带负荷敏感装置的结构设计、参数计算和性能分析。1系统压力敏感工作原理如图1所示,负载敏感控制机构主要由泵出口流量调节阀、压力调节阀和负载敏感阀构成.流量调节阀和负载敏感阀完成恒流量调节过程,压力调节阀和负载敏感阀完成恒压调节过程.流量敏感工作原理:在负载压力小于先导压力阀设定值时,压力调节阀不工作.如果由于某种原因,使得通过流量调节阀的压力损失发生了变化,这就意味着系统的输出流量发生了变化,即泵的定子位置发生了变化,此时,负载敏感阀阀芯的平衡条件被打破,使阀芯产生相应的动作,进而大活塞腔压力升高或降低使泵的定子回复到发生变化前的位置,泵的输出流量则稳定在变化之前的流量.因此进入系统的流量不受负载或其它因素(如泵本身)的影响,只由节流阀的开口面积来决定.压力敏感工作原理:当负载压力达到或大于压力调节阀的调定压力时,压力阀开启,压力越大,压力阀开口量越大.如果此时压力阀的输入电流不加大,敏感阀弹簧腔压力降低,阀芯右移,大活塞腔压力也随着降低,泵的定子偏心量减小,输出流量减小.在流量阀的节流作用下,当流量阀的两端压力降达到敏感阀的设定值时,泵在比原来较小的流量下达到新的平衡,此时液压系统的压力恢复为压力阀的设定值.在此过程中由于先导阀的定压作用,流量检测已不起控制作用.2负载敏感阀的设计2.1负载敏感阀的安装如图2所示,负载敏感阀实际是一个二位三通比例方向节流阀,阀口采用单三角槽形.当系统稳定时,负载敏感阀阀芯处于中位,阀芯两端的压差设定为1MPa(该值可通过调节螺杆调节).在已被设计的电液比例径向柱塞泵负载敏感控制系统中,负载敏感阀直接安装在变量柱塞油口安装面上,负载敏感阀安装面必须和变量柱塞面的油口安装尺寸一致,这给负载敏感阀的油道和油口布置带来了很多不必要的麻烦.本文不考虑变量柱塞面的安装尺寸,而是就负载敏感阀的结构布置油道和油口位置,所以该阀结构紧凑,加工工艺简单.2.2数据的出流计算数学模型对于本系统,根据阀的结构、功能和加工工艺,取负载敏感阀阀芯两端面积比为1,阀芯直径Dy=10mm.为了使变量柱塞腔内有足够稳定的压力,把负载敏感阀的零位设计成正开口,取零位正开口量y0=0.6mm.这对泵的容积效率略有影响(经计算当pp=31.5MPa时,零位泄漏量qV,y0=3L/min左右),但它提高了系统的稳定性.根据图3可计算出有关参数.变量泵变量活塞的力平衡方程为式中:Azl为限位活塞面积,Azr为变量活塞面积.单三角槽过流面积为式中:n=2,b=1.2mm,θ=33.7°,x01为平衡位置时阀左位开口量,x02为平衡位置时阀右位开口量,x01+x02=0.6mm.阻尼孔出流公式:式中:AR1为固定液阻R1的面积,AR1=πdR1/4;AR4为固定液阻R4的面积,AR4=πdR4/4.利用MATLAB语言对式(1~4)编程(编程时泵的出口压力pp最低取4MPa,最高取31.5MPa)计算并进行优化得到:dR1=1.2mm,dR4=1.2mm,qV,y0、x02随泵出口压力的变化如图4和图5所示.从图4中可以看出,负载敏感阀的中位泄漏量qV,y0随变量泵出口压力的增大而增加,最小泄漏量为1.05L/min,最大泄漏量为2.96L/min,故负载敏感阀的正开口设计对系统容积效率的影响很小.从图5中可以看出,在平衡状态,随变量泵出口压力的变化,负载敏感阀阀芯中位液阻开口基本没有变化,说明负载敏感阀阀芯在平衡状态时基本没有位移,这保证了变量柱塞腔内压力的稳定性.3负载敏感阀的分析3.1流量控制阀规范如图1所示,把泵的排油腔到限位活塞腔、负载敏感阀的无弹簧腔、流量调节阀前的容积称为第一容腔,容积为V1;从流量调节阀的出口到加载节流阀前、压力控制阀前的容腔称为第二容腔,容积为V2.流量调节阀力平衡方程为式中:Kem为流量控制阀电磁铁电流-力增益,Id为流量控制阀电磁铁输入电流,mx为流量控制阀可移动部分加弹簧三分之一的质量,X为流量控制阀阀芯位移,Bx为流量控制阀粘性摩擦(即粘性阻尼)系数,Kx为流量控制阀弹簧刚度.变量活塞力平衡方程为式中:mz为变量时泵体可移动部分加弹簧三分之一的质量,Z为定子位移,Bz为泵粘性摩擦系数,Kz为变量活塞腔弹簧刚度,Azl为限位活塞面积,Azr为变量活塞面积.负载敏感阀力平衡方程:式中:my为负载敏感阀可移动部分加弹簧三分之一的质量,Y为负载敏感阀阀芯位移,By为负载敏感阀粘性摩擦系数,Ky为负载敏感阀弹簧刚度,Ay为负载敏感阀阀芯面积.流量调节阀流量方程:式中:qV,l为流量控制阀通过流量,Kq为流量控制阀流量增益,Kc为流量控制阀流量-压力系数.负载敏感阀弹簧腔流量连续性方程:式中:G3为R3液导,Vy为负载敏感阀弹簧腔容积,β为油液弹性模量.变量活塞腔流量连续性方程:式中:G1为R1液导,Kcy为负载敏感阀流量-压力系数,Kqy为负载敏感阀流量系数,C0为变量活塞腔泄漏系数.第一容腔流量连续性方程:式中:Kp为泵的排量梯度,n为泵的转速,C1为限位活塞腔泄漏系数.第二容腔流量连续性方程:式中:qV,x为压力控制阀输出流量.3.2惯性力和阻尼力拉氏变换前先做如下假设:1)负载敏感阀、流量控制阀、变量活塞的惯性力和阻尼力比较小,忽略;2)数值较小,忽略;3)第一容腔较小,忽略对式(5~12)进行拉氏变换得根据以上方程可作出电液比例径向柱塞泵负载敏感控制系统传递函数方框图,如图6所示.3.3电流id阶跃时负载敏感阀阀芯位移的仿真根据系统的传递函数方框图,可用传统的方法对负载敏感阀以及系统进行分析研究.在这里只给出利用MATLAB/Simulink仿真得到的电流Id阶跃时负载敏感阀阀芯位移的响应.图7给出了当压力控制阀的输出流量qV,x=0,流量控制阀的通过流量qV,l=60L/min,电流Id阶跃时负载敏感阀阀芯位移Y的响应曲线.可以看出,负载敏感阀从响应开始到稳定约需1.2s,其工作是稳定可靠的.4径向柱塞泵的仿真分析1)该系统采用的集成安装形式,不仅使负载敏感变量系统的结构紧凑、外形美观,而且使负载敏感阀的油道和油口