主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥建模與仿真

，

(1. 山西大學(xué)自動(dòng)化系， 山西太原 030006； 2. 西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 陜西西安 710049)

引言

近年來(lái),在我國(guó)市場(chǎng)對(duì)重大機(jī)械裝備大量需求的激勵(lì)以及工程、科研人員的協(xié)同創(chuàng)新下,國(guó)家在重大機(jī)械裝備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上已經(jīng)獲得很大的成功,基本上改變了先前大量成套電液控制系統(tǒng)由國(guó)外提供的落后局面[1]。但是,諸如大流量、高精度電液比例流量閥此類能夠體現(xiàn)該領(lǐng)域裝備水平的核心元器件依舊處于依靠國(guó)外進(jìn)口的困頓之中[2]。電液比例流量閥是重大裝備電液控制系統(tǒng)中的核心部件，從結(jié)構(gòu)原理上分類，電液比例流量閥可分為直接驅(qū)動(dòng)閥和先導(dǎo)控制閥兩大類[3]，按其控制對(duì)象可分為比例節(jié)流閥與調(diào)速閥。直接驅(qū)動(dòng)電液比例流量閥大多采用電-機(jī)械轉(zhuǎn)化器(如比例電磁鐵、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等)對(duì)閥芯位置進(jìn)行直接控制[4]；先導(dǎo)控制電液比例流量閥內(nèi)含流量檢測(cè)與反饋裝置,進(jìn)而形成流量控制閉環(huán),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電液比例流量比較精確的控制[5]。相對(duì)于直接驅(qū)動(dòng)比例流量閥，先導(dǎo)控制比例流量閥具有功耗小、結(jié)構(gòu)緊湊、易于控制、壓力較穩(wěn)定，啟閉特性好，壓力損失小等優(yōu)勢(shì)，適用于高壓大流量液壓系統(tǒng)，在近幾十年獲得了迅猛發(fā)展[6]。

傳統(tǒng)電液比例流量閥具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性，但低工作壓力范圍的可控性差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；當(dāng)負(fù)載壓力變化時(shí)，主閥流量也會(huì)隨之發(fā)生較大的變化[7]。為了減小負(fù)載變化對(duì)主閥的影響，需要在閥的主流道上設(shè)置壓差補(bǔ)償器或流量檢測(cè)元件，這樣，不僅增大了閥的體積及制造難度，還削弱了閥的通流能力，造成較大的能量損耗并且引起發(fā)熱[8]。對(duì)于大流量的應(yīng)用場(chǎng)合，由于能量損耗的制約，這樣的技術(shù)便無(wú)用武之地，只能通過(guò)控制閥的開口面積間接控制流量，影響主閥的控制性能[9]。受負(fù)載變化的影響，使得控制精度降低是制約高精度電液比例流量閥的關(guān)鍵性技術(shù)難題[10-11]。因此，針對(duì)改進(jìn)電液比例流量閥特性問(wèn)題開展研究，提出創(chuàng)新的解決方案，尤其是在控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面有所突破，對(duì)這一領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工作原理

主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電業(yè)比例流量閥由6部分組成：主閥(Valvistor閥)；伺服電機(jī)；小型雙向液壓泵(液壓泵/馬達(dá))；驅(qū)動(dòng)電路；控制電路；集成一體化殼體。

根據(jù)Valvistor閥的特性，通過(guò)主閥的流量正比于先導(dǎo)級(jí)流量，有：

(1)

式中，qxd—— 先導(dǎo)級(jí)流量

ωx—— 主閥芯面積增益

ωc—— 流量反饋節(jié)流槽面積增益

α—— 主閥芯面積比

先導(dǎo)級(jí)流量正比于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n和液壓泵的排量qp，qxd=qpn，與負(fù)載壓力無(wú)關(guān)，所以，通過(guò)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可動(dòng)態(tài)控制主閥流量。即使主閥入口壓力很低，先導(dǎo)泵也可以將主閥上腔的液壓油吸出到主閥出油口，在主閥芯兩端產(chǎn)生壓差，打開主閥，這樣提高了閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖1 新原理電液比例流量閥的原理圖

如圖1所示，該閥的工作原理為：當(dāng)主閥入口壓力pA大于出口壓力pB時(shí)，主閥上腔的液壓油經(jīng)過(guò)液壓泵排到主閥排油口B，使主閥上腔的壓力pC降低，這樣主閥閥芯上移，閥口打開，液壓油從A口流到B口；當(dāng)壓力pB大于pA時(shí)，B口油液經(jīng)單向閥選擇后進(jìn)入主閥上腔，先導(dǎo)液壓泵仍然將主閥上腔的油液排出到油口B，使主閥上腔壓力pC降低，主閥閥芯抬起，油液從B口流向A口，從而實(shí)現(xiàn)流量的雙向控制。

2 數(shù)學(xué)建模

先導(dǎo)泵/馬達(dá)流量為:

qb=n·qp

(2)

主閥閥口流量為：

(3)

主閥開口面積計(jì)算公式為：

(4)

主閥開口的面積增益公式：

(5)

主閥芯位移和主閥流量為：

(6)

(7)

式中，Cdm—— 主閥流量系數(shù)

wm—— 主閥面積增益

x—— 主閥芯位移

pA—— 進(jìn)油口壓力

pB—— 出油口壓力

d—— 主閥芯直徑

qb—— 先導(dǎo)流量

Cdc—— 反饋節(jié)流槽流量系數(shù)

xi—— 反饋節(jié)流槽預(yù)開口量

ρ—— 液壓油的密度

Valvistor閥由于有反饋節(jié)流槽預(yù)開口量，所以會(huì)有死區(qū)。當(dāng)先導(dǎo)泵轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)主閥入口與出口壓力變化的時(shí)候，主閥芯位移將會(huì)隨著主閥入口與出口壓差的減小而增大，主閥的流量將會(huì)隨著主閥入口與出口壓差的減小而增大。

3 仿真分析

采用液壓泵作為先導(dǎo)級(jí)，由式(7)可知其無(wú)論壓差大小、正負(fù)都可以輸出穩(wěn)定的先導(dǎo)流量。由式(6)可知提高了整個(gè)閥的低壓可控性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

建立AMESim新原理電液比例流量閥的模型，對(duì)其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，為了驗(yàn)證式(6)與式(7)，同時(shí)也為閉環(huán)控制與進(jìn)一步優(yōu)化新原理電液比例流量閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3.1 仿真模型的搭建

圖2所示為在AMESim中搭建的新電液比例流量閥的仿真模型，該模型由液壓源、主閥、先導(dǎo)泵/馬達(dá)、負(fù)載等部分組成，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的額定排量為6 mL/r，主閥為彈簧阻尼系統(tǒng)，使用元件庫(kù)中的元件分別表示主閥上腔C、入口腔A、出口腔B，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的流量由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)進(jìn)行控制，負(fù)載為溢流閥。

圖2 新電液比例流量閥的仿真模型

1) 先導(dǎo)級(jí)控制單元

主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥經(jīng)過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制先導(dǎo)泵/馬達(dá)的速度，進(jìn)而控制該閥先導(dǎo)級(jí)流量，如圖3所示為該新原理閥先導(dǎo)級(jí)控制部分模型。先導(dǎo)級(jí)采用西門子公司的1FK7080-5AF71-1型號(hào)的伺服電機(jī)，額定功率為2.14 kW，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min；先導(dǎo)泵/馬達(dá)選擇力士樂A10FZG006/10W型號(hào)的柱塞泵/馬達(dá)，該泵/馬達(dá)為小流量雙向柱塞泵/馬達(dá)，排量為6 mL/r。

圖3 新原理閥先導(dǎo)級(jí)控制部分仿真模型

由于該閥先導(dǎo)級(jí)流量的輸入信號(hào)響應(yīng)特性對(duì)主閥的頻率響應(yīng)特性有著非常大的影響，為了確保先導(dǎo)級(jí)控制部分仿真模型的準(zhǔn)確性，要將所選的伺服電機(jī)、雙向柱塞泵各種物理參數(shù)輸入到AMESim仿真模型中，并且將電機(jī)與雙向柱塞泵的軸，聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)都輸入到仿真模型中，確保AMESim模型的準(zhǔn)確性。

2) 主閥

主閥為16通徑Valvistor閥，它有2個(gè)可變節(jié)流口，將Valvistor閥參數(shù)輸入到AMESim模型中，通過(guò)仿真可計(jì)算出節(jié)流口的流量以及主閥閥芯液動(dòng)力。AMESim模型中的3個(gè)活塞腔，分別為：主閥芯進(jìn)口腔A、出口腔B、主閥彈簧上腔C， 3個(gè)A，B，C活塞腔與彈簧、質(zhì)量阻尼塊等將組成主閥芯仿真模型如圖4所示。

圖4 主閥子系統(tǒng)

3) 動(dòng)力源及加載模型

動(dòng)力源及加載系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。溢流閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力，為滿足主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥額定流量，液壓泵排量為400 mL/r，連接液壓泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，這樣液壓泵源流量為600 L/min。

圖5 動(dòng)力源與加載系統(tǒng)模型

3.2 系統(tǒng)特性研究

由式(1)可得：主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥的先導(dǎo)級(jí)流量隨伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速比例變化，如圖6所示，隨著伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，雙向柱塞泵/馬達(dá)的流量呈現(xiàn)線性增加，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000 r/min，先導(dǎo)泵/馬達(dá)的流量為18 L/min。

主閥反饋節(jié)流槽面積增益為1.5 mm，系統(tǒng)壓力為7.5， 10， 15 MPa。圖7可看出在負(fù)載壓力不變的情況下，主閥的芯位移、主閥流量都和伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速呈比例關(guān)系，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min，先導(dǎo)泵的流量為 18 L/min。

圖6 先導(dǎo)泵/馬達(dá)流量輸出特性

圖7 先導(dǎo)泵/馬達(dá)流量

如圖8所示，當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，先導(dǎo)泵流量也隨著增大，主閥的流量的也比例增加。伺服電機(jī)及其附件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有很大的影響，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大，主閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢，圖9為伺服電機(jī)及其附件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)主閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響曲線。

圖8 主閥流量階躍響應(yīng)曲線

圖9 不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)的主閥流量

圖10為油源不同排量時(shí)主閥流量，由圖看出隨著油源排量的增加，主閥的排量也隨之增加。圖11為不同輸入信號(hào)時(shí)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速及先導(dǎo)泵/馬達(dá)的階躍響應(yīng)曲線。由圖看出隨著輸入信號(hào)的增加，主閥的排量也隨之增加。

圖10 不同輸入信號(hào)時(shí)的主閥流量

圖11 油源不同排量時(shí)主閥流量

由于該閥為大流量電液比例流量閥，所以油源泵站的流量直接影響該閥的控制輸出流量，圖11為油源流量為175 L/min時(shí)輸入信號(hào)100 L/min主閥流量，從圖可以看出當(dāng)輸入信號(hào)為100 L/min時(shí)，該閥輸出流量小于100 L/min，而當(dāng)油源流量為325 L/min時(shí)，該閥輸出流量為100 L/min，可以達(dá)到設(shè)定流量。

圖12為不同壓力時(shí)的主閥位移，從圖可以看出系統(tǒng)不同壓力的情況下，主閥的位移基本相同，帶動(dòng)先導(dǎo)泵的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速也基本相同，如圖13所示。

圖12 不同壓力時(shí)的主閥位移

圖13 不同壓力時(shí)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速

但是在不同系統(tǒng)壓力情況下，主閥所受到的力不同，壓力越大，所受到的力也越大，如圖14所示。

圖14 不同壓力時(shí)的主閥受力

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明：

(1) 主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥靜態(tài)特性較好，先導(dǎo)泵/馬達(dá)流量和Valvistor主閥的流量呈比例關(guān)系，采用液壓泵作為先導(dǎo)級(jí)，其無(wú)論壓差大小、都可以輸出穩(wěn)定的先導(dǎo)流量。從而也提高了整個(gè)閥的低壓可控性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性;

(2) 由于主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥為大流量電液比例流量閥，所以油源泵站的流量直接影響該閥的控制輸出流量，當(dāng)輸入信號(hào)為100 L/min時(shí)，該閥輸出流量小于100 L/min，而當(dāng)油源流量為325 L/min時(shí)，該閥輸出流量為100 L/min，可以達(dá)到設(shè)定流量;

(3) 主動(dòng)先導(dǎo)級(jí)控制的電液比例流量閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)與壓差有關(guān)，壓差越大主閥流量響應(yīng)越快，還與先導(dǎo)伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量有關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大主閥流量響應(yīng)越慢。