新型比例方向阀动态特性仿真研究

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在电液系统中通常利用反镭制原理来驱动大流量先导型比例方向阀.以抑制液动力干扰.提高控制精度 传统二级流控阀有内反劳主阀芯位移电反馈两种[1].其区别在于前者反馈闭环的范围不包括比例放大器、先导级液动力和摩擦力，故只适用于对控制精度要求不高的开环诚。而后者控制精度高，动态特性好，主要用于闭环系统。但是这两种阀制造成本都很高.结构上也不兼容.-旦电子检测和控制回路发生故障.电基金项目：国家自然科学基金资助项I(511753621收藕日期：2013-02-21作者简介：王松峰(1986-)，男，河南平顶山人，硕士，研究方向为电液比例及伺服控制技术。

闭环阀就只能当作普通电液开关换向阀来用.失去了比例控制功能为降低比例阀生产成本同时又不牺牲其优 良性能.长期以来国内外许多学者从改善阀的控制原理出发 ，寻求最佳控制策略。简化结构复杂性[2-31。其中较为典型的是 2O世纪 80年代瑞典 Linkoeping大学教授 B。

R.Andersson提出的Valvistor原理[41 该原理通过主阀芯上的矩形节流槽连通进油口和主阀敏感腔.节流槽开口度与主阀芯位移量成正比.构成内部位移反馈：通过比例电磁铁控制先导阀开口量调节敏感腔压力变化 。

使主阀芯稳定在-定的开口位置.此时经过节流槽的流量与先导阀流量相等 于是通过控制较小的先导流量就可以连续控制主阀芯位移 先导流量反馈到主阀35液压 气动 与 密封/2013年 第 06期出口，构成先导流量闭环控制.因此又称位移-先导流量反馈原理。按此原理，瑞典 Hydraut0公司首次将四个Valvistor阀代替传统滑阀构成负载敏感多路阀用于工程机械，操作灵活方便，可连续控制执行器的位移、速度或输出力[41。21世纪初，瑞典学者 H.PeteFS$on根据流量放大原理～两个或多个 Valvistor阀串联，整阀频宽高，通流能力大阁。文献61研究了二通比例插装阀的动态特性.采用根轨迹法分析了开环传递函数的零点位置对闭环系统的频宽限制。文献f71对带双向功能的新型比例插装阀的动态特性做了深入研究.提出-种基于神经网络的控制原理本文根据位移-先导流量反馈原理提出新的结构方案。设计出三位四通比例方向阀.通过前镭制器解耦消除了开环与电闭环两种控制方式之间的影响 采用线性化分析的方法得到整阀的简化模型 .利用SimulationX软件分别在频域和时域对新阀的动态特性进行仿真运算，仿真结果同理论分析相吻合 研究工作为我国生产低成本、高性能电液比例方向阀提供了理论参考。

1 工作原理新的流量反馈型电液比例方向阀的工作原理如图1所示图 1 工 作 原 理先导阀采用两个单向比例电磁铁控制开口量.主阀结构的主要特征是在原有滑阀阀芯两端增加了阀套(也叫面积调节环)，阀套上开有矩形节流槽 C，阀体上的对应棱边为节流边，阀套与阀体之间形成控制容腔。

进口压力油通过主阀芯内的油孔分别引人到两端阀套上的矩形节流槽内.两端阀套通过阀体上的台阶限制了其移动范围。当先导阀 1、2处于关闭状态时.由于节流槽 C预留有-定的正开口量.两端容腔压力与进油口压力相等，主阀不打开 ；如果先导阀 1打开。左端容腔压力减小，右端容腔压力仍为阀的进 口压力.左端阀套-端作用为节流后的压力.另-端作用为先导阀回油压力(即图中A I：1压力)，所以主阀芯和左端阀套就构成了具有面积差的阀芯，按流量放大原理.主阀芯带36动左端阀套-起向左移动.而右端阀套被阀体限位 ，不能移动。当经过节流槽的流量与经过先导阀的流量相等时.主阀芯停止运动。主阀口稳定在-定的开口面积上，这样 P-A接通。B-T接通，通过控制经过先导阀的流量.就可以连续控制主阀芯位移 。实现了对先导流量的放大作用。同样。当先导阀2打开时，右端阀套跟随主阀芯-起向右移动，左端阀套被阀体限位，P-B接通.A-T接通。这样就可以通过控制小的先导流量实现控制大的主阀流量图2是利用三维建模软件 Pro/E设计的几何模型。

可以看出.采用该原理 .主阀芯和先导阀之间没有机械结构的硬连接，因而阀的结构简单，布置方便。

图 2 几何模型2 新型比例方向阀数学模型如图 1所示阀的完整模型是-个 5阶系统.包含 2阶先导阀、1阶敏感腔压缩容积和2阶主阀运动。所以整个系统可以分为三个功能的子系统(如图 3)：先导压力控制。主阀动态特性以及主阀口流量。根据力学平衡方程、液流的连续性方程和流量方程就可以建立描述新阀动态性能的数学模型8] 文中出现的部分符号含义见表 l。

表 1 部分符号含义符号 含义 符号 含义A 主阀芯端面积 节流槽流量系数Ae 阀套环形端面积 尼， 主阀液动力压 阀套端面面积 正 比例电磁铁放大系数A A口液压力 尼 主阀弹簧刚度A B口液压力 先导阀弹簧刚度控制容腔压力 主阀流量增益供油压力 先导阀流量增益主阀芯位移 节流槽流量增益， 先导阀芯位移 主阀液动力系数毋 负载流量 主阀液动力系数主阀流量 B 粘性阻尼系数先导阀流量 屁 主阀流量压力系数口c 控制节流口流量 先导阀流量压力系数置 节流槽预开口量 置。 节流槽流量压力系数先导阀弹簧预压缩量 液容主阀芯面积增益 口 主阀芯质量彬 先导阀芯面积增益 射流角节流槽面积增益 面积比主阀流量系数 丘 流量放大系数先导阀流量系数 p 油液的密度Hydraulics Pneumatics& Seals/No.o6.2013考虑到先导阀的瞬态响应相对主阀快的多.而且导阀芯质量很小，先导阀弹簧刚度相对较大，所以可忽略先导阀的二阶动态特性。假设主阀芯向右运动.阀口P-B接通。A-T接通，由此得到：通过负载的流量方程：口 g (1)主阀流量方程：厂 ------ qx x 、/ (p s-pB) (2)先导阀流量方程：CayW ，， (3)控制节流口流量方程：Cdc c( j)、/ (ps c) (4) ，，忽略比例电磁铁的动特性，当给定输入电压 。时，先导阀的力平衡方程为：K yK。 (5)敏感腔流量连续性方程：qc-q -xAcCcpc (6)主阀芯稳态液动力方程：2CdCvW xcosO(p -pB) (7)主阀芯动力学平衡方程：PB(1-c)Acp aAc-pcAc- xmxB帆K (8)将方程(1)～(8)在某个工作点(p 。， 。)附近进行小增量线性化处理。并进行拉氏变换。为书写方便.各变量的拉氏变换符号用原来符号对应的大写字母表示 ，且下标不变。由此得到：Q Q Q (9)Q K (P -p ) (10)Q (Pc-pB) (11)Q。K 。 (P。-pc) (12)y (13)Qc-Q -sXA csCcpc (14)Fx FPM(p -pB) (15)2PB(1-ct)Ac 。otAc-pcAG- xs XmsXB Kx(16)由于主阀芯运动引起的控制流量变化很小 .所以可不计式(14)中的-sXA 项。由式(9)～(16)得到阀的线性简化模型如图3所示 图中主阀芯的位移反馈抑制了液动力影响.先导阀流量反馈给主阀.没有先导流量损失，提高了阀的节能性。

l先导压力控制L l： r1 f昂 Ims2B1vsKx鸳 ；等先导流量前馈图 3 新型 比例 阀方框 图为便于理论分析，可忽略主阀弹簧力、液动力和粘性阻尼。通过方框图变换将原有的三阶系统进-步简化。得到经过负载的总流量为：， Kqc旦 1 -qccy- qx ∞bKq ) K。 K 。-K。 Kqx(1-or)](p。-pB) (17)式中 /2(1-a)(P.-Ps) (18)可以看出经过合理假设 ，转折频率 的低频滞后环节在阀的动态模型中起主导作用。经过负载的总流量同设定的电压控制信号 。和阀口压力差 (p -p )有关。实际中由于负载压力P 不可能恒定，所以阀口压差会对负载流量造成干扰 ，影响流量控制曲线的线性度。

由式(18)可知增大节流槽的面积增益 ，减小阀芯面积比0c，增大阀口压差均有利于增加 09 的值，提高阀的频率宽度。改善系统的动态响应性能.但是穿越频率过大会使系统的幅值裕量和相位裕量趋于负值.造成系统不稳定.因此设计时要在兼顾系统稳定性的条件下合理选择这些参数3 电闭环阀动态特性仿真研究3.1 仿真模型在仿真软件 SimulationX中建立整阀的液压系统模型见图4，该模型主要由电子控制器、先导阀、主阀、压力油源和负载组成。模型中采用定量泵向系统供油.并加入二阶动态信号拈考虑电机的动特性 .通过可变节流阀向系统加载。先导阀和主阀部分的内部子结构见图5、图6。先导级滑阀和主级两端的动阀套可分别等效为两个质量-弹簧-阻尼系统 .主阀芯与动阀套之间采用液压耦合方式 .通过学科库中的运动活塞元件连接。主阀口和先导阀口采用阀边缘建模.通过环形间隙和相对运动平行间隙元件考虑滑阀与阀体之间的泄漏和粘性摩擦。为便于管理.利用 SimulationX中的二次开发工具 TypeDesigner将调试好的子模型封装打包，如图4所示。采用的新闭环控制原理见图7。这里将闭环控制环节叠加于开环控制环节之上.可使阀具有在电37霭 Hydraulics Pneumatics& Seals/No.06.2013