劉紅亮，胡東方

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，河南新鄉(xiāng) 453000；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽 471000)

0 前言

電液比例系統(tǒng)通常由多級(jí)放大結(jié)構(gòu)組成，利用電磁鐵等驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)閥的驅(qū)動(dòng)，通過先導(dǎo)閥形成液壓能來控制主閥閥芯，為主閥芯配備了壓力和位移傳感器，并跟驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)控系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)的功能。由于閥體積很小，充分滿足快速響應(yīng)的應(yīng)用需求，整體運(yùn)行性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在液壓機(jī)、工程動(dòng)力設(shè)備等大流量液壓系統(tǒng)。

目前已有較多學(xué)者對(duì)電液比例開展了相關(guān)研究。WOODACRE等主要針對(duì)動(dòng)閥套反饋進(jìn)行了比例方向閥方面的研究工作，同時(shí)為先導(dǎo)閥與主閥構(gòu)建了數(shù)學(xué)建模以獲得傳遞函數(shù)，提出了不同的補(bǔ)償方式，同時(shí)利用Simulink軟件分別對(duì)動(dòng)靜態(tài)條件進(jìn)行了模擬仿真，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用分段PID控制算法獲得了最優(yōu)的死區(qū)補(bǔ)償效果。張勇等人使用能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立換向的先導(dǎo)閥來減少閥芯質(zhì)量，發(fā)揮良好的結(jié)構(gòu)死區(qū)補(bǔ)償效果。FALLAHI等重點(diǎn)分析了電液位置伺服系統(tǒng)的控制過程，同時(shí)為該系統(tǒng)構(gòu)建了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，與靜態(tài)誤差方法相比，獲得了更快的系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時(shí)控制精度也顯著提升。李勝等人根據(jù)水壓數(shù)字控制閥控制原理，開發(fā)了一種壓電致動(dòng)器，使它滿足整閥的應(yīng)用要求，最后制備得到樣機(jī)，通過測試得到壓力、流量參數(shù)變化結(jié)果與理論結(jié)果吻合。

本文作者主要對(duì)大流量可控閥開展研究，以電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)絲杠的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，控制先導(dǎo)閥芯為主閥控制腔提供閥芯啟動(dòng)壓力，從而控制主閥芯的運(yùn)動(dòng)；為主閥配備節(jié)流窗口以獲得連通的流量，由此精確調(diào)節(jié)流量比參數(shù)。

1 控制系統(tǒng)原理

本文作者利用電機(jī)絲杠構(gòu)建可以大流量調(diào)節(jié)的電機(jī)械轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，達(dá)到較高控制精度，顯著減小液壓沖擊載荷。圖1所示為大流量可控閥結(jié)構(gòu)。進(jìn)入比例工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)為絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)件開啟先導(dǎo)閥的進(jìn)液閥芯，此時(shí)高壓液通過進(jìn)液流道到達(dá)主閥控制腔中，關(guān)閉主閥芯回液口；然后，推動(dòng)主閥進(jìn)液閥芯右移，開啟主閥進(jìn)液閥芯的節(jié)流窗口后進(jìn)行流量輸出，直至閥芯關(guān)閉。在關(guān)閉狀態(tài)下，電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母與先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)件左移，此時(shí)先導(dǎo)閥回液閥芯和頂桿也同樣發(fā)生左移，回液口跟主閥控制腔液體相連，主閥進(jìn)液閥芯與先導(dǎo)回液閥芯保持異步跟隨狀態(tài)并左移至先導(dǎo)回液閥口重新關(guān)閉為止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)閉過程的三芯隨動(dòng)控制。

圖1 大流量可控閥結(jié)構(gòu)

2 仿真分析

2.1 整閥模型

文中構(gòu)建的可控閥模型由先導(dǎo)回液閥、進(jìn)液閥、主回液閥以及主進(jìn)液閥構(gòu)成。由于先導(dǎo)進(jìn)液閥與回液閥之間保持相同的位移量，可在先導(dǎo)進(jìn)液閥與主進(jìn)液閥間完成位置反饋的過程，因此選擇MECDSOB位移傳感器子模型來模擬級(jí)間位置的反饋過程。因?yàn)橄葘?dǎo)進(jìn)液閥套包含了主閥芯，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯會(huì)跟閥套發(fā)生相對(duì)位移，可以通過BRP21球閥子模型對(duì)相對(duì)位移開展仿真測試。主閥是一種三角形態(tài)的非全周開口結(jié)構(gòu)，因此設(shè)計(jì)BA00022非全周開口模型，并設(shè)定各項(xiàng)模擬參數(shù)。構(gòu)建可控閥AMESim模型，同時(shí)以半實(shí)物圖形的模式對(duì)可控閥進(jìn)行模擬。圖2所示為構(gòu)建的大流量可控閥AMESim模型。

圖2 大流量可控閥AMESim仿真模型

大流量可控閥由主閥和先導(dǎo)閥共同構(gòu)成，先導(dǎo)進(jìn)液閥座與主閥芯形成相互嵌套的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)閥和主閥的位置信息反饋。當(dāng)先導(dǎo)閥達(dá)到更高的控制精度時(shí)，主閥控制精度得到顯著提升，但同時(shí)也需注意，如果增益過大則會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行過程出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)應(yīng)對(duì)級(jí)間位置匹配開展更深入探討。

2.2 設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)

為建立更加完善的可控閥模型，給出如表1所示的閥體參數(shù)。在此次仿真實(shí)驗(yàn)中，利用方波信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，分別以1與0表示高電平與低電平信號(hào)，設(shè)定頻率為2 Hz，仿真時(shí)間為2 s，步長為0.001 s，結(jié)果如圖3所示。

表1 可控閥仿真模型相關(guān)參數(shù)

圖3 輸入方波控制信號(hào)

3 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

3.1 階躍響應(yīng)特性

階躍響應(yīng)屬于時(shí)域測試方法，考慮到階躍信號(hào)會(huì)出現(xiàn)階躍斷點(diǎn)，可將它作為一種嚴(yán)峻工作信號(hào)。根據(jù)可控閥能否適應(yīng)階躍信號(hào)變化特征及其各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)來判斷可控閥的性能。將階躍控制信號(hào)輸入仿真模型中再開展仿真測試，以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)可控閥各部位階躍響應(yīng)曲線。圖4所示為閥芯位移和流量階躍響應(yīng)曲線。

圖4 閥芯位移和流量階躍響應(yīng)

由圖4可知：主閥芯按照一階系統(tǒng)響應(yīng)趨勢運(yùn)動(dòng)6 mm，閥芯被開啟，且輸出流量為300 L/min，液體流入主閥控制腔中，由于此時(shí)主回液閥芯已被開啟，該部分油液到達(dá)主回液閥芯并使其關(guān)閉；開始時(shí)刻，主回液閥芯已關(guān)閉，油液繼續(xù)進(jìn)入主閥控制腔中會(huì)引起腔內(nèi)壓力上升，在控制液的壓力作用下主閥芯發(fā)生動(dòng)作；在=0.05 s時(shí)主閥芯保持在5.8 mm的開啟位移處，主閥出口流量為285 L/min，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求；主閥芯發(fā)生了一定程度的振蕩，形成了約0.1 mm的穩(wěn)態(tài)誤差。

3.2 啟閉特性

將頻率為10 Hz的方波信號(hào)加入控制信號(hào)進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間為1 s，得到如圖5所示的先導(dǎo)閥和主閥的位移、流量曲線?？芍簩?duì)電機(jī)施加啟停信號(hào)后，每當(dāng)絲杠進(jìn)給一個(gè)信號(hào)，先導(dǎo)閥芯就會(huì)隨之產(chǎn)生位移，由此得到了具有階梯特征的分布結(jié)果，部分流量被分配至主回液閥，最終引起閥門關(guān)閉，導(dǎo)致主閥芯相對(duì)先導(dǎo)閥芯呈現(xiàn)明顯的滯后性，第1個(gè)方波信號(hào)形成了負(fù)增長的主閥芯速度變化特征；接著，先導(dǎo)閥芯開啟，主閥芯發(fā)生跟隨運(yùn)動(dòng)，在=0.05 s后，主閥芯速度響應(yīng)比先導(dǎo)進(jìn)液閥芯慢，存在顯著的滯后性，直至主閥芯全部開啟。

圖5 啟停信號(hào)下閥芯位移與流量響應(yīng)

3.3 級(jí)間位置匹配分析

可控閥的啟閉控制受到多種參數(shù)匹配狀態(tài)的綜合影響。利用AEMSim設(shè)定控制信號(hào)，仿真分析大流量可控閥的比例開啟與關(guān)閉狀態(tài)。

圖6所示為比例階躍信號(hào)閥芯的位移啟閉曲線。輸入給定信號(hào)后，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯快速響應(yīng)，按照階梯位移的方式跟隨給定信號(hào)動(dòng)作，之后主閥芯也發(fā)生跟隨運(yùn)動(dòng)，從而在2 mm位移內(nèi)完成響應(yīng)，跟隨先導(dǎo)進(jìn)液閥芯一起動(dòng)作。在4～6 mm內(nèi)，主閥芯無法滿足響應(yīng)條件。當(dāng)閥開啟程度較小時(shí)，只需很少的流量，即可完成快速響應(yīng)，符合固定液阻飽和增益條件時(shí)，在小流量下主閥芯無法準(zhǔn)確跟隨動(dòng)作，形成了0.5 mm誤差。在比例關(guān)閉的過程中，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯和主閥芯都關(guān)閉，但依然會(huì)形成靜差。無論是開啟或關(guān)閉，先導(dǎo)進(jìn)液閥都會(huì)異步跟隨，但會(huì)形成明顯的靜差，需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。

圖6 比例階躍信號(hào)閥 圖7 斜坡啟閉過程

根據(jù)可控閥階躍和斜坡信號(hào)直動(dòng)分析結(jié)果，為斜坡與階躍信號(hào)設(shè)定比例開啟方式，同時(shí)對(duì)比這兩種控制信號(hào)的優(yōu)勢與不足，以獲得最優(yōu)控制信號(hào)。圖7所示為先導(dǎo)閥輸入階段形成的斜坡信號(hào)與可控閥閥芯位移。可知：開啟斜坡信號(hào)時(shí)，主閥跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動(dòng)，但存在位移響應(yīng)滯后且形成了0.5 mm穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié)論

(1)階躍響應(yīng)特性表明：=0.05 s時(shí)，在5.8 mm開啟位移處，主閥出口流量為285 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)啟閉特性表明：第1個(gè)方波信號(hào)形成了負(fù)增長的主閥芯速度變化特征，=0.05 s后，主閥芯速度存在顯著滯后性，直至主閥芯開啟。

(3)級(jí)間位置匹配特性表明：按照階梯位移的方式與給定信號(hào)進(jìn)行跟隨動(dòng)作，主閥芯也會(huì)發(fā)生跟隨運(yùn)動(dòng)，完成快速響應(yīng)。