高空作业平台臂架双向平衡阀系统的建模与研究

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混合臂架高空作业平台在上臂举升过程中，随着变幅角度的变化，负载存在着正负向转换的问题(见图 1)，为此采用双向平衡阀避免回转过程中油缸失速和超速的危险。传统的平衡阀存在负载较重时，容易出现低频振动，工作平稳性与安全性较差；负载较轻时，控制压力偏高，系统功率损失严重 J。本文对采用带远程控口的双向平衡阀回路建立其数学模型，并分析稳态控制压力的影响因素，然后在 AMESim环境下建立其参数化仿真模型，研究结构参数的变化对系统动静态特性影响，为双向平衡阀回路的设计和开发提供了参考。

1 双向平衡阀结构及工作原理双向平衡阀由-对结构完全相同的平衡阀呈对称组成，各自的远程控口分别与对侧阀的进油口相接，单向阀阀套和平衡阀主阀芯-起形成节流控制口，两阀芯弹簧呈相向布置。当变幅角增大时，压力油从 c1口进入使左侧单向阀套开启，进而推动油缸活塞杆伸出驱动臂架回转，油缸小腔回流则进入 V2口作用于右侧主阀芯上，与远控 口控制油液-起驱动阀芯移动(单向阀套保持不动)，由于主阀芯弹簧力的存在，使v2口始终保持-背压力，从而保持了正负向负载切换时油缸速度的平稳性；当变幅角减小时，其工作原理相同，只不过左侧单向阀和右侧主阀芯动作。

1.主阀芯 2.单向阀套 3.主阀芯弹簧 4.远控口阻尼孑L5.单向阀弹簧图 1 双向平衡阀控制回路收稿 日期：2012-12-17基金项目：教育部博士点基金项目(20110205110002)；中央高校基金项目(CHD201 1TD017)作者简介：曹学鹏 (1982-)，男 ，山西临县人 ，讲师 ，博士后 ，主要从事工程机械电液融合控制技术方面的科研和教学工作。

2013年第6期 液压与气动 672 数学模型的建立与分析建模基于以下假设 ：① 换向阀处于左位，油缸活塞杆伸出；② 忽略瞬态液动力对控制系统的影响；③ 回油压力为零。

(1)对左侧单向阀芯、右侧平衡阀主阀芯及液压缸分别列写三个力平衡方程：pAd-p1Admd dBdxd ( d d0)Kfdxd (1)p2AhpA m1互 Bl Kl( v0) (2)P1A1F-P2A2mp p十Bp p (3)式中：P、P 、P 分别为系统压力、油缸大腔压力、油缸小腔压力；A 、A 、A 、A 、A：分别为主阀芯腔的环形作用面积、控制活塞端面积、单向阀套面积、油缸大、小腔面积；m 、m 、m。分别为单向阀、主阀芯和油缸活塞(含各 自推动油液)的质量；B B B。分别为单向阀、主阀芯和油缸活塞(含各自推动油液)的粘性阻尼系数； 、 为主阀芯、单向阀的弹簧刚度； 。分别为单向阀、主阀芯和油缸活塞的位移， 加、 砷为单向阀、主阀芯弹簧的预压缩量； 、 为单向阀、主阀芯稳态液动力系数；F为负载力。

(2)对左侧单向阀进口容腔 、单向阀与液压缸大腔间容腔 、液压缸小腔容腔与平衡阀间容腔 分别列写流量连续性方程：Qq1q Cp(P-P1)Adxd (4)p。

qlAd dcp(P1-P2)A1 pc p(P1-p2) 1 (5)pClp(P1-P2)A2xpq2c 2Ah 2 (6)p式中：Q、q。、q 、q 分别为系统、单向阀、主阀芯、控制油路的通流量；Cp、C C 分别为单向阀、液压缸、主阀芯的泄漏量系数； 为有效体积弹性模量。

(3)对三个节流阀口(孔)分别列写流量方程：左侧单向阀口：ql CdWxd/ (7)右侧主阀口：q2CdWx /丝 (8)7ra 控制活塞阻尼孔：ql 石(p-Pc) (9)式中：P、tx分别为油液密度和粘度， 、 分别为阀口流量系数和面积梯度；P 、d 、Z。分别为控制压力、阻尼孔直径和长度。

联立式(1)～(9)可得平衡回路的系统控制模型，关于稳定性方面的分析，文献[2-3]已做了大量的研究工作并取得很多成果，下面仅对该型双向平衡阀的稳态控制压力进行推导。

联立式(1)-(3)和式(9)，并考虑到稳态工况下 菇 ：0、q 0，可得平衡阀的稳态控制压力为：去[K1(XdX，dO - h dA2 、 2pc象 Ae A。4(10)令油缸大小腔面积比 SA /，4：，平衡阀先导比RA /A ，从而获得了稳态工况下液压缸活塞杆伸出阶段的平衡阀控制压力的计算式：Pc： ± ±L AhJs - 1/(.s (11) ，1Ad A2由上式知，为减小平衡阀开口变化对控制压力的影响，可设置主阀芯弹簧具有较大的预压缩量。

忽略单向阀的预压力，可得该平衡阀的开启压力为：PK (12) L由此可见，平衡阀开启压力随主阀芯弹簧刚度、预压缩量以及负载产生的压力变化，而与主阀芯腔的环形作用面积、先导比和油缸大小腔面积比之和成反比。

就液压系统设计和产品选型而言，可通过调节主阀芯预压力、选择不同的先导比和油缸面积比以获得合适的开启压力。

同前推导可得，液压缸活塞杆缩回阶段平衡阀的开启压力计算式(换向阀处于右位)：K1 v0FAh/A ，.-、 Pk 面 13比较式(12)、(13)可知，即使同-双向平衡阀两侧参数设置完全相同，因液压缸大小腔面积的不同，使在活塞杆伸出和缩回时阀的开启压力并不相同，可通过调节-侧的弹簧预压缩量以获得相同的开启压力。

3 参数化建模与仿真分析考虑到双向平衡回路参数化研究的必要性，以所建立的系统控制模型为基础，借助于液压仿真软件AMESim搭建其仿真模型l4 ]。双向平衡阀的工作原理表明，单平衡阀作为单向阀或平衡阀功能的独立性和唯-性，故建模中时二者分别搭建，仿真模型如图268 液压与气动 2013年第6期所示，主要参数如表 1所示。

图2 双向平衡回路仿真模型图表1 仿真模型参数设置表元件 主要参数 取值 元件 主要参数 取值质量 m 0.03 kg 直径 d 45 mm弹簧刚度 10oO N/mm 阻尼孔 长度 1 0. 8 mm半锥角 0 15。 质量 m 30 kg主阀 阀座孔径 d 12.2 mm 1000 N 粘性阻尼系先导比尺 4.3 油缸 数曰 /m.s-控制活塞直 大腔直径 D。 160 mm径 D 11 mm 小腔直径D 100 mm质量 m 0.01 kg 进口容腔 200 cm单向 弹簧刚度 2 N/mm 阀与缸大腔阀套 容腔 间容腔 300 cm外径 d 15 mm 缸小腔与阀间容腔 500 cm1)负载对阀控制压力的影响分析在活塞杆伸出阶段，控制压力随着杆从受拉 -100kN逐渐切换到受压 100 kN时，控制压力从 32 bar逐渐增加到60 bar，增加达28 bar。而在杆缩回阶段则由105 bar减小到 59 bar，减小达 46 bar。正负向载荷间切换平稳，同时可注意到，当负载为 0时，伸出和缩回时平衡阀所需的开启压力分别为45.8 bar和75.1 bar(图3)，由式(12)、(13)知，开启压力分别于面积比(S 1.64)和面积比的倒数(1/S0.61)呈反比，故负载120 1罨 匿 1031.活塞杆伸出 2.活塞杆缩回图3 负载变化对活塞杆伸缩时控制压力的影响曲线对二者的影响并不相同。因此，为减小缩回时的控制压力值，宜选用面积比较小的油缸。

2)供给流量对阀控制压力的影响分析当供给流量从 20 L/min逐渐增加到 100 L/min时，活塞杆伸出和缩回阶段的控制压力分别从 54 bar增加到90 bar，68.6 bar增加到 162 bar(图4)。这是因为流量的增加使主阀芯的开 口增大，由式(11)知，开口量的增加使控制压力增加。因此，维持合适的流量供给有利于减胸制压力和功率损失。

111磊 2 / / / / - -/ v 166.4631tv 2101.2311.活塞杆伸 出 2.活塞杆缩 回图4 流量变化对活塞杆伸缩时控制压力的影响曲线3)结构参数对阀芯动态特性的影响分析图5为主阀芯半锥角 0/2变化时的响应曲线，由图可知，半锥角的增大使超调量增加，稳定性变差，响应时间适当加快，同时阀芯的稳态位移量减校当半锥角变大时，阀芯相同开口下通流面积也越大，故在供给流量-定时，较小的半锥角具有较大的阀芯开口量，这给动态响应性能造成不良影响。

图5 锥角变化对主阀芯位移响应的影响曲线由图6知，主阀芯弹簧刚度增加时，主阀芯位移响应的稳定性增加，超调量减小，由(12)式知，弹簧刚度的增大也将导致开启压力增大，给控制带来不利，故弹簧刚度的选择需综合考虑对动、静态性能的影响。

4 结论针对采用单杆液压缸的双向平衡阀回路，建立其数学模型并主要分析了稳态控制压力的影响因素，借O O O O O O 0 O O O 2013年第6轴 液压与气动 69DOI：10.11832/j.issn.1000-4858.2013.06.016深海生物幼体液压驱动取样器设计王钰岩，陈家旺，谢英俊Design of Deep-sea Biological Larvae SamplerWANG Yu-yan，CHEN Jia-wang，XIE Ying-jun(浙江大学 海洋科学与工程学系，浙江 杭州 310058)摘 要：针对传统深海生物幼体取样器无法保压、无法多层尤其是近底层取样的难题，该文设计了-套液压驱动的取样器，介绍了取样器的结构和工作原理。对取样器样机进行 了实验室试验和深海试验研究，结果表明，取样器具有良好的取样和保压能力。

关键词：深海；生物幼体；液压驱动；取样器中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)06-0069-03引言研究深海环境下生物幼体的繁殖、扩散和补充机制，首要条件是获得大量具有原位特性的生物幼体样品。传统的深海拖曳或泵过滤的生物取样器很难在深海生物幼体取样方面得到良好应用，其主要原因有：成收稿 日期 ：2012.11-28基金项 目：浙江省公益技术研究工业项Et(2011C23107)作者简介：王钰岩(1987-)，男，山东威海人，硕士，主要从事海洋装备方面的研究工作。

t/s1.K1：1000 N/mm，2.K11500 N/ram 3.Kl2000 N/ram图6 弹簧刚度变化对主阀芯位移响应的影响曲线助于 AMESim建立其参数化模型并进行了相应的仿真，研究了负载、供给流量等稳态输入量变化对阀控制压力的影响，开展了结构参数对阀动特性响应的分析，为双向平衡阀回路的设计和开发提供了有益的参考。

(1)在双向平衡阀回稳态工况下，推导出了活塞杆伸缩阶段平衡阀控制压力的计算关系式。阀的开启压力随主阀芯弹簧刚度、预压缩量以及负载力的增加而增大，而与主阀芯腔的环形作用面积、先导比和油缸面积比之和成反比。

(2)通过参数化的 AMESim模型仿真表明，双向平衡阀系统在正负向载荷切换时工作平稳。参数配置相同时，在缸伸出和缩回阶段，负载对控制压力的作用相反，供给流量大时相应的控制压力也大，选用适宜面积比较小的油缸和维持合适的流量有利于减歇启压力的差异和控制压力。

(3)锥角、弹簧刚度等主阀芯结构参数对阀动态响应影响很大，锥角越孝弹簧刚度越大，阀芯稳定性越好，但也会导致开启压力增大，设计时对动静态性能的影响需综合考虑。