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(1. 山西大學自動化系， 山西太原 030006； 2. 西安交通大學電子與信息工程學院， 陜西西安 710049)

引言

近年來,在我國市場對重大機械裝備大量需求的激勵以及工程、科研人員的協(xié)同創(chuàng)新下,國家在重大機械裝備的系統(tǒng)設計上已經(jīng)獲得很大的成功,基本上改變了先前大量成套電液控制系統(tǒng)由國外提供的落后局面[1]。但是,諸如大流量、高精度電液比例流量閥此類能夠體現(xiàn)該領域裝備水平的核心元器件依舊處于依靠國外進口的困頓之中[2]。電液比例流量閥是重大裝備電液控制系統(tǒng)中的核心部件，從結(jié)構(gòu)原理上分類，電液比例流量閥可分為直接驅(qū)動閥和先導控制閥兩大類[3]，按其控制對象可分為比例節(jié)流閥與調(diào)速閥。直接驅(qū)動電液比例流量閥大多采用電-機械轉(zhuǎn)化器(如比例電磁鐵、伺服電機、步進電機等)對閥芯位置進行直接控制[4]；先導控制電液比例流量閥內(nèi)含流量檢測與反饋裝置,進而形成流量控制閉環(huán),能夠?qū)崿F(xiàn)對電液比例流量比較精確的控制[5]。相對于直接驅(qū)動比例流量閥，先導控制比例流量閥具有功耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制、壓力較穩(wěn)定，啟閉特性好，壓力損失小等優(yōu)勢，適用于高壓大流量液壓系統(tǒng)，在近幾十年獲得了迅猛發(fā)展[6]。

傳統(tǒng)電液比例流量閥具有良好的靜動態(tài)特性，但低工作壓力范圍的可控性差、動態(tài)響應慢；當負載壓力變化時，主閥流量也會隨之發(fā)生較大的變化[7]。為了減小負載變化對主閥的影響，需要在閥的主流道上設置壓差補償器或流量檢測元件，這樣，不僅增大了閥的體積及制造難度，還削弱了閥的通流能力，造成較大的能量損耗并且引起發(fā)熱[8]。對于大流量的應用場合，由于能量損耗的制約，這樣的技術(shù)便無用武之地，只能通過控制閥的開口面積間接控制流量，影響主閥的控制性能[9]。受負載變化的影響，使得控制精度降低是制約高精度電液比例流量閥的關鍵性技術(shù)難題[10-11]。因此，針對改進電液比例流量閥特性問題開展研究，提出創(chuàng)新的解決方案，尤其是在控制精度、動態(tài)響應方面有所突破，對這一領域技術(shù)的進步和發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 工作原理

主動先導級控制的電業(yè)比例流量閥由6部分組成：主閥(Valvistor閥)；伺服電機；小型雙向液壓泵(液壓泵/馬達)；驅(qū)動電路；控制電路；集成一體化殼體。

根據(jù)Valvistor閥的特性，通過主閥的流量正比于先導級流量，有：

(1)

式中，qxd—— 先導級流量

ωx—— 主閥芯面積增益

ωc—— 流量反饋節(jié)流槽面積增益

α—— 主閥芯面積比

先導級流量正比于伺服電機的轉(zhuǎn)速n和液壓泵的排量qp，qxd=qpn，與負載壓力無關，所以，通過伺服電機的轉(zhuǎn)速就可動態(tài)控制主閥流量。即使主閥入口壓力很低，先導泵也可以將主閥上腔的液壓油吸出到主閥出油口，在主閥芯兩端產(chǎn)生壓差，打開主閥，這樣提高了閥的動態(tài)響應。

圖1 新原理電液比例流量閥的原理圖

如圖1所示，該閥的工作原理為：當主閥入口壓力pA大于出口壓力pB時，主閥上腔的液壓油經(jīng)過液壓泵排到主閥排油口B，使主閥上腔的壓力pC降低，這樣主閥閥芯上移，閥口打開，液壓油從A口流到B口；當壓力pB大于pA時，B口油液經(jīng)單向閥選擇后進入主閥上腔，先導液壓泵仍然將主閥上腔的油液排出到油口B，使主閥上腔壓力pC降低，主閥閥芯抬起，油液從B口流向A口，從而實現(xiàn)流量的雙向控制。

2 數(shù)學建模

先導泵/馬達流量為:

qb=n·qp

(2)

主閥閥口流量為：

(3)

主閥開口面積計算公式為：

(4)

主閥開口的面積增益公式：

(5)

主閥芯位移和主閥流量為：

(6)

(7)

式中，Cdm—— 主閥流量系數(shù)

wm—— 主閥面積增益

x—— 主閥芯位移

pA—— 進油口壓力

pB—— 出油口壓力

d—— 主閥芯直徑

qb—— 先導流量

Cdc—— 反饋節(jié)流槽流量系數(shù)

xi—— 反饋節(jié)流槽預開口量

ρ—— 液壓油的密度

Valvistor閥由于有反饋節(jié)流槽預開口量，所以會有死區(qū)。當先導泵轉(zhuǎn)速不變，當主閥入口與出口壓力變化的時候，主閥芯位移將會隨著主閥入口與出口壓差的減小而增大，主閥的流量將會隨著主閥入口與出口壓差的減小而增大。

3 仿真分析

采用液壓泵作為先導級，由式(7)可知其無論壓差大小、正負都可以輸出穩(wěn)定的先導流量。由式(6)可知提高了整個閥的低壓可控性和動態(tài)響應特性。

建立AMESim新原理電液比例流量閥的模型，對其靜態(tài)、動態(tài)特性進行仿真分析，為了驗證式(6)與式(7)，同時也為閉環(huán)控制與進一步優(yōu)化新原理電液比例流量閥結(jié)構(gòu)設計提供理論依據(jù)。

3.1 仿真模型的搭建

圖2所示為在AMESim中搭建的新電液比例流量閥的仿真模型，該模型由液壓源、主閥、先導泵/馬達、負載等部分組成，先導泵/馬達的額定排量為6 mL/r，主閥為彈簧阻尼系統(tǒng)，使用元件庫中的元件分別表示主閥上腔C、入口腔A、出口腔B，先導泵/馬達的流量由伺服電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)進行控制，負載為溢流閥。

圖2 新電液比例流量閥的仿真模型

1) 先導級控制單元

主動先導級控制的電液比例流量閥經(jīng)過伺服電機來控制先導泵/馬達的速度，進而控制該閥先導級流量，如圖3所示為該新原理閥先導級控制部分模型。先導級采用西門子公司的1FK7080-5AF71-1型號的伺服電機，額定功率為2.14 kW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min；先導泵/馬達選擇力士樂A10FZG006/10W型號的柱塞泵/馬達，該泵/馬達為小流量雙向柱塞泵/馬達，排量為6 mL/r。

圖3 新原理閥先導級控制部分仿真模型

由于該閥先導級流量的輸入信號響應特性對主閥的頻率響應特性有著非常大的影響，為了確保先導級控制部分仿真模型的準確性，要將所選的伺服電機、雙向柱塞泵各種物理參數(shù)輸入到AMESim仿真模型中，并且將電機與雙向柱塞泵的軸，聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量的參數(shù)都輸入到仿真模型中，確保AMESim模型的準確性。

2) 主閥

主閥為16通徑Valvistor閥，它有2個可變節(jié)流口，將Valvistor閥參數(shù)輸入到AMESim模型中，通過仿真可計算出節(jié)流口的流量以及主閥閥芯液動力。AMESim模型中的3個活塞腔，分別為：主閥芯進口腔A、出口腔B、主閥彈簧上腔C， 3個A，B，C活塞腔與彈簧、質(zhì)量阻尼塊等將組成主閥芯仿真模型如圖4所示。

圖4 主閥子系統(tǒng)

3) 動力源及加載模型

動力源及加載系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。溢流閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力，為滿足主動先導級控制的電液比例流量閥額定流量，液壓泵排量為400 mL/r，連接液壓泵的電機轉(zhuǎn)速為1500 r/min，這樣液壓泵源流量為600 L/min。

圖5 動力源與加載系統(tǒng)模型

3.2 系統(tǒng)特性研究

由式(1)可得：主動先導級控制的電液比例流量閥的先導級流量隨伺服電機轉(zhuǎn)速比例變化，如圖6所示，隨著伺服電機轉(zhuǎn)速的增大，雙向柱塞泵/馬達的流量呈現(xiàn)線性增加，當伺服電機轉(zhuǎn)速達到3000 r/min，先導泵/馬達的流量為18 L/min。

主閥反饋節(jié)流槽面積增益為1.5 mm，系統(tǒng)壓力為7.5， 10， 15 MPa。圖7可看出在負載壓力不變的情況下，主閥的芯位移、主閥流量都和伺服電動機轉(zhuǎn)速呈比例關系，當電機轉(zhuǎn)速為3000 r/min，先導泵的流量為 18 L/min。

圖6 先導泵/馬達流量輸出特性

圖7 先導泵/馬達流量

如圖8所示，當伺服電機轉(zhuǎn)速增加，先導泵流量也隨著增大，主閥的流量的也比例增加。伺服電機及其附件的轉(zhuǎn)動慣量對主閥的動態(tài)響應有很大的影響，轉(zhuǎn)動慣量越大，主閥的動態(tài)響應越慢，圖9為伺服電機及其附件的轉(zhuǎn)動慣量對主閥動態(tài)響應的影響曲線。

圖8 主閥流量階躍響應曲線

圖9 不同轉(zhuǎn)動慣量時的主閥流量

圖10為油源不同排量時主閥流量，由圖看出隨著油源排量的增加，主閥的排量也隨之增加。圖11為不同輸入信號時，伺服電機的轉(zhuǎn)速及先導泵/馬達的階躍響應曲線。由圖看出隨著輸入信號的增加，主閥的排量也隨之增加。

圖10 不同輸入信號時的主閥流量

圖11 油源不同排量時主閥流量

由于該閥為大流量電液比例流量閥，所以油源泵站的流量直接影響該閥的控制輸出流量，圖11為油源流量為175 L/min時輸入信號100 L/min主閥流量，從圖可以看出當輸入信號為100 L/min時，該閥輸出流量小于100 L/min，而當油源流量為325 L/min時，該閥輸出流量為100 L/min，可以達到設定流量。

圖12為不同壓力時的主閥位移，從圖可以看出系統(tǒng)不同壓力的情況下，主閥的位移基本相同，帶動先導泵的伺服電機轉(zhuǎn)速也基本相同，如圖13所示。

圖12 不同壓力時的主閥位移

圖13 不同壓力時的伺服電機轉(zhuǎn)速

但是在不同系統(tǒng)壓力情況下，主閥所受到的力不同，壓力越大，所受到的力也越大，如圖14所示。

圖14 不同壓力時的主閥受力

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明：

(1) 主動先導級控制的電液比例流量閥靜態(tài)特性較好，先導泵/馬達流量和Valvistor主閥的流量呈比例關系，采用液壓泵作為先導級，其無論壓差大小、都可以輸出穩(wěn)定的先導流量。從而也提高了整個閥的低壓可控性和動態(tài)響應特性;

(2) 由于主動先導級控制的電液比例流量閥為大流量電液比例流量閥，所以油源泵站的流量直接影響該閥的控制輸出流量，當輸入信號為100 L/min時，該閥輸出流量小于100 L/min，而當油源流量為325 L/min時，該閥輸出流量為100 L/min，可以達到設定流量;

(3) 主動先導級控制的電液比例流量閥動態(tài)響應與壓差有關，壓差越大主閥流量響應越快，還與先導伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量有關，轉(zhuǎn)動慣量越大主閥流量響應越慢。