夯實(shí)機(jī)液壓系統(tǒng)中插裝閥閥芯位置控制與仿真分析

司癸卯，孟小凈，周加永

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

快速液壓夯實(shí)機(jī)是專(zhuān)為地基補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)和松鋪壓實(shí)設(shè)計(jì)制造的高效液壓夯實(shí)設(shè)備.它的基本工作原理是：從液壓動(dòng)力源來(lái)的高壓油通過(guò)油管進(jìn)入液壓缸，夯錘在重力和液壓力的共同作用下快速下落，對(duì)土壤進(jìn)行夯實(shí).根據(jù)不同的作業(yè)要求，可以選擇不同的下落高度來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際工況的需求.夯錘的下落速度要盡量快，這樣才會(huì)產(chǎn)生足夠的沖擊力來(lái)滿(mǎn)足工況的要求［1］.為此液壓系統(tǒng)采用大流量的電磁換向插裝閥，插裝閥采用“電磁換向閥＋主閥”的控制形式.

1 二通插裝閥結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是夯實(shí)機(jī)的液壓系統(tǒng)圖，圖2是插裝閥基本插件的結(jié)構(gòu)原理圖和相對(duì)應(yīng)的液壓職能符號(hào).圖2中，p為壓力，pA，pB，pC為 A，B，C三腔的工作壓力.插裝閥基本插件是先導(dǎo)型插裝閥的主級(jí)或者功率級(jí)的主體元件，它由閥芯、閥套、彈簧以及密封件組成，其主要功能是用來(lái)控制液壓系統(tǒng)主油路中油液的壓力、方向與流量.其中A口與B口是主油路的通口，C是油路的控制口.當(dāng)A口和B口的作用力之和大于C口處的作用力與彈簧力之和時(shí)，閥芯就會(huì)開(kāi)啟，反之閥芯就會(huì)關(guān)閉.如果改變C口的壓力，B口的輸出壓力就會(huì)隨之發(fā)生變化［2］.

圖1 夯實(shí)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of tamper hydraulic system

圖2 插裝閥基本組件Fig.2 Basic components of cartridge valves

2 插裝閥數(shù)學(xué)模型的建立

夯實(shí)機(jī)的液壓系統(tǒng)采用了電磁換向插裝閥.通過(guò)對(duì)研究電磁換向插裝閥接受電信號(hào)后插裝閥主閥閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況，來(lái)研究夯實(shí)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性.電磁換向插裝閥的建模，即利用先導(dǎo)閥的位移X作為輸入信號(hào)，以此來(lái)研究主閥閥芯的位移與速度［3］.

先導(dǎo)閥的流量方程為

式中：Ql為先導(dǎo)閥的流量；Cd為閥口流量系數(shù)；X0為閥芯的轉(zhuǎn)換位置；X為先導(dǎo)閥閥芯位移；ρ為油液的密度；pt為控制口低壓，pt≈0.

控制體的流量連續(xù)方程為

整理得

式中：A1為主閥控制腔的有效作用面積；y為主閥芯位移；V1為控制體體積；E為液體體積彈性模量；p1為控制體的壓力.

如果不考慮主閥閥芯上的液動(dòng)力，插裝閥主閥閥芯主要受進(jìn)口壓力、出口壓力、彈簧力、控制體的壓力以及阻尼黏性力的作用.由主閥閥芯的力學(xué)平衡方程得：

式中：m為主閥閥芯質(zhì)量；B為主閥閥芯的黏性阻尼系數(shù)；Ks為彈簧剛度系數(shù)；AA為主閥閥芯的下截面面積；AB為主閥出口腔的有效作用面積.

電磁換向插裝閥建模的關(guān)鍵之處在于選定系統(tǒng)的狀態(tài)變量［4］.根據(jù)系統(tǒng)的需要來(lái)建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，選定狀態(tài)變量為μ＝X0－X，z1＝p1，z2＝y(tǒng)，z3＝.根據(jù)式（1）—（3），就可以得出先導(dǎo)控制插裝閥的狀態(tài)空間模型：

根據(jù)式（4），輸入已知的系統(tǒng)參數(shù)，就可以相應(yīng)求出系統(tǒng)的狀態(tài)變量.狀態(tài)空間的建?？梢越鉀Q系統(tǒng)存在的非線(xiàn)性化對(duì)建模的一些影響，避免了線(xiàn)性化的一些缺點(diǎn)，因此適合于電磁換向插裝閥數(shù)學(xué)模型的建立.

3 插裝閥閥芯位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

本夯實(shí)機(jī)液壓系統(tǒng)中所選用的插裝閥的型號(hào)為L(zhǎng)C40，其公稱(chēng)通徑為40mm.此插裝閥的主要參數(shù)如表1所示.

表1 插裝閥參數(shù)Tab.1 Cartridge valve parameters

圖3 先導(dǎo)插裝閥閥芯位移仿真模型圖Fig.3 Simulation model chart of the pilot cartridge valve spool displacement

表1中，AC為主閥閥芯的上截面面積；m為閥芯質(zhì)量；Ks為彈簧剛度；Ps為彈簧開(kāi)啟壓力.

當(dāng)給系統(tǒng)階躍信號(hào)輸入時(shí)，輸出的主閥位移及速度曲線(xiàn)如圖4和圖5所示.從圖中可以看出，插裝閥響應(yīng)表現(xiàn)了一定的振蕩特性，開(kāi)啟需要一定的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1s左右，超調(diào)量為5.18%左右，基本上能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的要求.

圖4 主閥閥芯位移曲線(xiàn)Fig.4 Displacement curve of the main valve spool

插裝閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)的主要影響因素包括進(jìn)出油口的壓力pA，pB，控制體的體積V1以及系統(tǒng)的阻尼系數(shù)等.改變控制體的體積V1的大小，就會(huì)得到在不同控制體體積下的插裝閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的仿真曲線(xiàn).V1分別取20cm3和25cm3時(shí)，插裝閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)分別如圖6和圖7所示.

由圖6和圖7可看出，插裝閥的控制體積增大，響應(yīng)超調(diào)量就會(huì)減少，但是峰值時(shí)間與穩(wěn)態(tài)時(shí)間基本上沒(méi)有發(fā)生改變.在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整插裝閥件和先導(dǎo)閥之間的液壓管道，使插裝閥能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲得較為穩(wěn)定輸?shù)某隽髁?

圖5 主閥閥芯速度曲線(xiàn)Fig.5 Velocity curve of the main valve spool

4 結(jié)論

（1）為了達(dá)到夯實(shí)機(jī)下落的快速性要求，提出了以電磁換向閥為先導(dǎo)閥的插裝閥閥芯位置控制策略，實(shí)踐證明該控制策略可行.

（2）采用狀態(tài)空間法對(duì)插裝閥的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，并建立了插裝閥的相關(guān)數(shù)學(xué)模型.

（3）通過(guò)對(duì)插裝閥位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行的仿真分析，可看出系統(tǒng)對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)的時(shí)間在0.1s左右，超調(diào)量為5.18%左右，基本上能滿(mǎn)足該系統(tǒng)的要求.

圖6 V1＝20cm3時(shí)插裝閥的響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.6 Response curve of cartridge valve when V1＝20cm3

圖7 V1＝25cm3時(shí)插裝閥的響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.7 Response curve of cartridge valve when V1＝20cm3

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