正开口气动伺服阀控缸匀速运动时的负载特性

气动伺服阀控制最早用于第二次世界大战前后导弹与火箭飞行体的姿态控制。之后，气动伺服阀、气动容腔、气动阀及执行机构特性的基础研究有了-定进展n。 。-般工业用响应缓慢的气动控制陆续发展为伺服控制，具有-定响应速度、较高精度及较大功率的伺服控制技术应运而生，气动技术在汽车、飞机、火车车辆、机床、自动化生产线、机器人等制造领域得到广泛应用。对称气动伺服阀与不对称气动伺服阀、以及正开口气动伺服阀开口量的均等或不均等结构时的特性研究得到了-定的拓展口 。

目前正开口伺服阀控制气缸组成的气动执行机构的特性研究尚不多见。为此，本文研究了正开口气动阀控缸在气缸匀速运动时的负载特性，包括气缸的压力特性 、泄漏量特性 ，保持匀速运动时的负载特性规律，为气动伺服阀控缸执行机构的分析和设计提供基础理论和依据。

1 正开口气动伺服阀控缸动力机构图1所示为正开口气动伺服阀控缸动力机构示意图。在伺服阀的生产制造过程中，往往要求尽量做到伺服阀具有对称均等的正开口量，这里研究几何对称均等的情况。假设正开口气动伺服阀具有对称均等的负重合量(正开口量)，即在结构上形成的正开口量几何对称 ，A。△：AIO m。其中△。为上游供气侧收稿 日期：2012.11.19基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175378，51275356)；国家科技 支撑计划 资助项 目(2011BAJ02B06)；航空科学 基金资助 项 目(20120738001，20128038003)作者简介：圈耀保(1965-)，男 ，工学博士，教授，博士生导师。主要研究方向为极限环境下的流体传动与控制基础理论 ，飞行器能源与舵机，高速气动控制。

的正开 口量 ，△：为下游排气侧的正开 口量▲气为P。，排气压力为 P。，两个负载 口压力分别为 P ，P 。假设气 动系统活塞作匀速运 动 ，且 速度为v1 mm/s。本文主要研究保持负载作匀速运动时，阀位移和两个负载口压力、负载压力以及泄漏流量之间的关系。

l。I Il I I l Ii， j -l/ ‰ △l：△2△)图 1正开口气动伺服阀控缸动力机构示意图2 数学模型2.1伺服阀滑阀上游和下游各节流口面积正开口气动伺服阀各节流口的气体流动有两种方式。-种为经过供气口至负载口的上游节流口流动 ，另-种为经过负载口至排气 口的下游节流 口流动。气缸静止时，气缸活塞固定不动，相当于负载口关闭，气体从供气口进入后，直接经排气 口流出。气缸运动时，气体流动方向如图1所示。

和负载口P 相连接的滑阀上游节流口面积为： bp(△ ) (1)第2页 溢体秸动与控副 20l3年第2期式中，b 为节流口的宽度(15 mm)。

和负载口P 相连接的滑阀下游节流口面积为： bp(△-x) (2)和负载151 P 相连接的滑阀上游节流口面积为：： 6。(△- (3)和负载El P 相连接的滑阀下游节流口面积为： bp(△ ) (4)2.2通过面积为 的单个节流口的质量流量亚音速流动时(0.5283 p。/pi 1.0)，通过面积为 单个节流口质量流量为：g 。 ( ，Pi，P。，T)2- (式中，C为节流口的流量系数(0.68)；Pi，P。分别为节流El的人口压力和出口压力；为气体的绝热温度(293 K)；k为气体的绝热比系数(1.4)；为气体常数(287 J/kg·K)。

超音速流动时(0 /pi<0.5283)，质量流量为：r---------- ‰Io(So )CSo J ( (6)2.3滑阀各节流口的质量流量1)通过面积为 的节流口质量流量为：l fs(sl，P ，P ，T)0.5283 p /p 1qml-1re(StP )0

2.6动力机构负载力平衡方程假设活塞杆作匀速运动，没有加速度。负载力平衡方程为：F -Pb)A (15)式中， 为气缸有效面积。

3 理论分析由式(1)至式(15)，可以分析正开口气动伺服阀控缸动力机构的基本特性。这里采用某系列气缸，缸径为 10 mm，气源压力为0.7 MPa，行程30 mlTl。气缸活塞杆的匀速运动速度为 v1 mrn/s。

3.1负载匀速运动时的气缸压力特性如图2所示为气缸两个容腔的压力特性。

1、2-分别为活塞杆速度为零时的两腔压力：3、4 分别为活塞杆速度为 1 mm/s时的两腔压力图2 气缸两个容腔的压力特性曲线 1、2分别为活塞杆速度为零时的两腔压力；曲线 3、4分别为活塞杆速度为 l mrn/s时的两腔压力。由图2可知：气动伺服阀处于零位时，气缸两腔压力相同，外负载力为零；活塞杆匀速运动时的气缸压力较活塞杆静止时的气缸压力低。气缸压力在气缸运动时变小的原因是气缸在运动时图1中质量流量 q 、q b大于零。只有当气缸左右腔压力 P 、Pb、../ 、，， 、.， 、/ 、..， ，L ，L 2013年3月 圈耀保，等：正开口气动伺服阀控缸匀速运动时的负载特性 第 3页减小时 ，左腔上游节流口质量流量去、 增大 ，左腔下游节流口质量流量 减小，式(I3)的qm 才大于零；同理 P 在 大于零时也会减校气缸左腔压力 P 与气缸右腔压力 P 关于阀位移 O轴对称 ，其压力差就是外负载力的大小，并且在两端时压力差最大，在中位时的压力差最小，为零。

3.2 负载匀速运动时气动伺服 阀阀口流动状态图3所示为负载匀速运动(1 mm/s)时气动伺服阀控缸各节流 口流动状态图。曲线 I、2分别为节流口压力比P 和Pb 。；曲线3、4分别为节流口压力比 p。 b和 P。 。由图可知：正开 口气动伺服阀控缸，当负载匀速运动，阀在零位及其附近时，供气侧的压 力 比 P Pb 。>O.5283，排 气侧 的压 力 比P。/p ：P。/pb

从图3还可以得出：当气动伺服阀控气缸做匀速运动时，伺服阀位移不同时，进出口的流动状态是不同的，且可分为五个区域。

1O.80.60.52830.4O.2O：： /. 、. 10 .5 O 5 1O/Ixm1、2-分别为节流 口压力比P /p。和 Pb/p ；3、4-分别为节流口压力比P。/p 和P。

图3 负载匀速运动时各节流口流动状态3-3泄 漏量图4所示为气动伺服阀控缸泄漏流量图。曲线1为气动伺服阀控缸静止时的泄漏流量 ；曲线2为气动伺服阀控缸匀速运动(1，1 mm/s)时的泄漏流量∩见，当气动伺服阀控缸运动时，其泄漏量与静止时的泄漏量略微减小，变化趋势相同。气缸活塞杆运动时左右腔压力 P 、Pb减小，则左腔下游节流口质量流量 减小，右腔下游节流El质量流量 也减小，而泄漏量q泄为 和 之和，故气缸活塞杆运动时伺服阀泄漏量比静止时的泄漏量要校- 15 -10 ·5 O 5 10 15/岫 1-气动伺服阀控缸静止；2-气动伺服阀控缸匀速运动 v1 mm/s图4 气动伺服阀控缸泄漏流量3.4气缸匀速运动时的外负载力特性图5所示为气动伺服阀控缸匀速运动时的外负载力特性。

图5 匀速运动时的外负载力特性由图可见：为保持负载作匀速运动 ，必须保持如图5所示的阀位移和负载力的关系。也就是说，当负载力发生变化时，阀位移必须按照图5所示的曲线变化时才能保持匀速运动。图5所示的负载力与阀位移关系揭示了保持匀速运动的基本负载条件，可以通过该曲线和气动伺服阀的软件技术，实现阀位移和负载力的关系，从而做到匀速控制的目的。

还可以看出为保持气缸匀速运动，伺服阀位移量需要随着外负载 F的变化而变化。气缸的外负载力F越大，气动伺服阀位移量越大；空载 F0时，伺服阀位移量 为零，能够保持气缸活塞杆以l mm/s匀速运动。以右为正方向，则外负载力 F在位移量为负时，其值也为负，即此时负载力方向向左为推力。

在伺服阀位移量为正时，其值也为正，即外负载力F方向向右为牵引力。气动伺服阀位移和外负载力大小大致呈线性关系。

从图5中可以看出，气缸以匀速1 mrn/s运动时，- 个负载力 F值对应着-个位移量值。根据这个曲3 5 2 5 l 5 0 n-∞