基于負(fù)載匹配的閥控液壓缸匹配特性研究

王鑫濤, 杜 星

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實驗室， 陜西西安 710065)

引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗是新機(jī)研制的主要環(huán)節(jié)之一，而閥控缸系統(tǒng)屬于主要試驗設(shè)備之一[1-2]。其中伺服閥的性能很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因此閥控缸系統(tǒng)的研究對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗有著相當(dāng)重要的意義。試驗中伺服閥一般采用雙噴嘴擋板式反饋兩級電液流量伺服閥，其先導(dǎo)級為對稱的雙噴嘴擋板閥，由干式雙氣隙力矩馬達(dá)驅(qū)動，輸出級為三位四通滑閥，閥芯位置由一懸臂彈簧桿進(jìn)行機(jī)械反饋[3]。液壓缸一般采用非對稱缸，其結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，承載能力大[4-6]。

目前在實際試驗應(yīng)用中，對于液壓缸與伺服閥的選擇基本上靠經(jīng)驗公式進(jìn)行選取，這種方法存在著較大的偏差，伺服閥選擇偏小，無法滿足實際需要，伺服閥選擇偏大，功率利用率較低，且伺服閥未工作在最佳狀態(tài)，從節(jié)能的角度來說是一種浪費(fèi)。對于強(qiáng)度試驗而言，將影響其加載點(diǎn)閥控液壓缸的控制性能和加載要求，某一個加載點(diǎn)的控制性能可能會對整個試驗加載系統(tǒng)造成消極影響[7-8]。

1 負(fù)載特性分析

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，試驗件一般均屬于彈性體，加載過程中存在一定的變形量。為保證試驗件結(jié)構(gòu)受力真實，試驗時對于試驗件的重量一般通過反配重進(jìn)行扣除，保證試驗件處于“0”狀態(tài)，由于全機(jī)試驗加載點(diǎn)較多，為保證每個加載點(diǎn)加載協(xié)調(diào)，液壓缸運(yùn)行速度通常較低，基本可近似認(rèn)為勻速運(yùn)動。因此液壓缸所承受的負(fù)載力主要由彈性負(fù)載、粘性阻尼負(fù)載以及摩擦負(fù)載組成。

1) 彈性負(fù)載

彈性負(fù)載力：

FP=Kx

(1)

式中，K—— 試驗件剛度，N/m

x—— 試驗件變形，m

2) 粘性阻尼負(fù)載

粘性阻尼負(fù)載力：

FV=Bx′

(2)

式中，B—— 粘性阻尼系數(shù)，N·s/m

x′ —— 運(yùn)行速度，m/s

3) 總負(fù)載力

運(yùn)動過程中，動摩擦力Ff可認(rèn)為一固定值，只發(fā)生方向上的變化[4]。

因此總負(fù)載力即為：

F=FV+FP+Ff=Bx′+Kx+Ff

(3)

采用頻率法設(shè)計系統(tǒng)時，可以認(rèn)為輸入信號是正弦信號，負(fù)載是在作正弦響應(yīng)，設(shè)負(fù)載力為：

F=Fmsinωt

(4)

式中,Fm—— 正弦運(yùn)動振幅，N

ω—— 角頻率，rad/s

則總負(fù)載力可表示為：

Fmsinωt=Bx′+Kx+Ff

(5)

由式(5)微分方程可以解得負(fù)載位移：

(6)

則負(fù)載速度：

(7)

將式(4)和式(7)聯(lián)合則可以得到負(fù)載軌跡方程如下：

(8)

為更加直觀的表示方程的幾何特性，方程轉(zhuǎn)化后也可表示為：

(9)

由圖1可以看出，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，其負(fù)載軌跡為一原點(diǎn)對稱的斜橢圓方程。

圖1 負(fù)載軌跡

2 伺服閥壓力-流量特性

為便于分析，認(rèn)為實際使用的伺服閥為理想零開口四邊滑閥，閥芯處于閥套中間位置時，4個控制節(jié)流口全部關(guān)閉。該滑閥節(jié)流閥口匹配且對稱，其壓力-流量方程一般表示為[9-14]：

(10)

式中,Cd—— 流量系數(shù)

A0—— 滑閥節(jié)流閥口面積，mm2

ρ—— 油液密度，kg/m3

ps—— 油源壓力，MPa

xV—— 閥芯位移，mm

p—— 負(fù)載壓力，MPa

我們僅討論流量為正向的情況，即滑閥閥芯位移為正向，因此式(10)表示為：

(11)

一般在使用過程中，為便于用戶使用，伺服閥提供的常規(guī)技術(shù)參數(shù)為閥口全開的情況下額定壓降下的額定流量，根據(jù)伺服閥壓力-流量特性方程，則額定流量與額定壓降應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(12)

式中，QN—— 伺服閥額定流量，m3/s

AN—— 滑閥全開節(jié)流閥口面積，mm2

ρ—— 油液密度，kg/m3

ΔpN—— 伺服閥額定壓降，MPa

負(fù)載為空載情況下壓降，即為油源壓力ps。

由于討論伺服閥與液壓缸的匹配關(guān)系，必須保證伺服閥在最大輸出的情況下滿足負(fù)載特性需求，因此均以閥口全開的情況下進(jìn)行研究分析[15]，式(11)和式(12)聯(lián)立可得：

(13)

實際強(qiáng)度試驗中一般大部分采用MOOG生產(chǎn)的G761系列電液伺服閥，其給出的常規(guī)技術(shù)參數(shù)為7 MPa 額定壓降下的額定流量，由于試驗中液壓泵的額定輸出壓力為21 MPa，通過液壓子站輸出的油液壓力也為21 MPa，因此轉(zhuǎn)換后其額定壓力21 MPa時，伺服閥的額定流量如表1所示。

表1 伺服閥規(guī)格及參數(shù)

依據(jù)式(13)以及表1當(dāng)中的伺服閥基本參數(shù)，可以做出5種伺服閥的壓力-流量特性曲線，由于閥節(jié)流口對稱，因此曲線應(yīng)該對稱于原點(diǎn)。為討論方便，同樣僅取流量為正的情況下，如圖2所示。

3 伺服閥與液壓缸匹配分析

本研究主要通過負(fù)載匹配來進(jìn)行伺服閥的選擇，選擇的原則是伺服閥的流量-壓力特性曲線要能夠包圍液壓缸的負(fù)載特性曲線，同時兩者之間的區(qū)域要盡可能小，如果伺服閥的最大輸出功率點(diǎn)與負(fù)載的最大功率點(diǎn)重合，則認(rèn)為兩者是最佳匹配，此時功率利用率最好[16-17]。

圖2 伺服閥壓力-流量特性曲線

實際應(yīng)用中采用的液壓缸種類較多，無法逐一進(jìn)行列舉，本研究僅以額定載荷10 t，行程1 m液壓缸為例進(jìn)行分析，由于一般采用液壓缸為非對稱缸，其額定載荷一般指有桿腔最大輸出載荷。

通過負(fù)載匹配來進(jìn)行伺服閥的選擇可以在兩種坐標(biāo)系下進(jìn)行分析，即負(fù)載力-速度坐標(biāo)系和壓力-流量坐標(biāo)系。本研究選擇在壓力-流量坐標(biāo)體系下進(jìn)行分析，因此需要對負(fù)載軌跡方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換。若液壓缸有桿腔面積為A，則：

負(fù)載力：

F=p·A

(14)

負(fù)載速度：

(15)

代入負(fù)載軌跡方程式(8)和式(9)可得：

(16)

(17)

試驗過程中加載點(diǎn)一般不止一個，為加快試驗速率，必須保證每個點(diǎn)均能夠較快的到達(dá)命令值，且加載特性良好。因此對于變形較大的區(qū)域，要使得其加載速率較快，必須使得負(fù)載流量較高。因此，試驗件加載點(diǎn)的剛度直接決定著伺服閥的選擇。

液壓缸最大載荷10 t，行程為1 m，由于整個液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，各個環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生壓力降，導(dǎo)致伺服閥入口壓力很難達(dá)到21 MPa，且液壓缸本身存在泄漏，通常情況下，液壓缸實際載荷利用率不超過其最大載荷的80%為宜，因此試驗件剛度最小臨界值K=8×104N/m。試驗加載時，至少要保證液壓缸輸出最大載荷的80%時能夠滿足加載要求，因此均以液壓缸能輸出的最大載荷80%進(jìn)行分析。

圖3表示2種不同試驗件剛度下的負(fù)載軌跡，可以看出加載載荷相同的情況下，試驗件剛度越大，其需要的流量就越小，因此，使用同規(guī)格液壓缸的情況下，試驗件的剛度直接影響著負(fù)載流量。

圖3 不同剛度下的負(fù)載軌跡

由匹配原則得知，伺服閥的壓力-流量特性曲線(見圖4)剛好包圍液壓缸的負(fù)載特性曲線，此時兩者為最佳匹配。從兩者特性曲線來講，即伺服閥壓力-流量特性曲線剛好外切于液壓缸的負(fù)載特性曲線，此時相切點(diǎn)(即最佳匹配點(diǎn))處兩者曲線斜率相等，因此最佳匹配點(diǎn)應(yīng)滿足如下條件：

(18)

若試驗中系統(tǒng)加載角頻率ω=0.1 rad/s，粘性阻力系數(shù)B=100 N·m/s，液壓缸拉腔面積A=4760 mm2。通過式(18)可以得到10 t/1 m液壓缸與5種不同伺服閥達(dá)到最佳匹配時的試驗件剛度。

由式(18)解得：

K1=380233.2 N/m，K2=148290.5 N/m，

K3=80885.1 N/m，K4=40442.1 N/m，

K5=24714.2 N/m

圖4 伺服閥與液壓缸匹配曲線

因此，要想伺服閥能夠滿足10 t/1 m液壓缸輸出負(fù)載需求，可參考如下條件。

當(dāng)K≥K1時，采用3001閥;

當(dāng)K2≤K

當(dāng)K3≤K

當(dāng)K4≤K

當(dāng)K5≤K

K

4 結(jié)論

通過負(fù)載匹配的方法進(jìn)行伺服閥的選擇，能夠讓伺服閥盡可能的工作在最佳負(fù)載范圍，繼而提高伺服閥的使用效率，保證實際試驗的加載精度以及加載效率。同時為類似特定加載系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供了參考依據(jù)，通過該方法能夠保證伺服閥與液壓缸進(jìn)行合理匹配，功率利用率最好。