差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析

劉 念， 王鵬飛， 王 帆

(中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

引言

閥控缸液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。非對(duì)稱液壓缸具有工作空間小、結(jié)構(gòu)簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用于閥控缸液壓系統(tǒng)，尤其是工業(yè)液壓領(lǐng)域[3-4]。閥控非對(duì)稱缸液壓系統(tǒng)的速度-負(fù)載特性在正反向存在差異，雖然可以通過選擇非對(duì)稱控制閥加以改善，但空載下非對(duì)稱缸正反向速度增益始終不對(duì)稱，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的提升產(chǎn)生了不利影響[5-9]。

差動(dòng)回路是將非對(duì)稱缸有桿腔的流量引入無桿腔，增加無桿腔進(jìn)油流量，以減小供油流量，一般用于閥控恒流源液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中[10-12]。在采用電磁換向閥構(gòu)成差動(dòng)回路時(shí)，閥芯機(jī)能多采用R型。楊殿寶[13]分析了液壓差動(dòng)回路的設(shè)計(jì)缺陷，指出R型機(jī)能換向閥在同樣的壓降條件下流量要比其他機(jī)能閥的流量小。

閥控非對(duì)稱缸液壓系統(tǒng)采用恒壓源供油，控制閥為比例方向閥或伺服，與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)類似，比例閥閥芯也可以為R型，閥自身即可構(gòu)成差動(dòng)回路。具有R型閥芯機(jī)能的比例方向閥，本研究稱之為比例差動(dòng)閥，簡稱差動(dòng)閥。

差動(dòng)閥相比常規(guī)比例方向閥，有其自身的特點(diǎn)。趙虹輝等[14]介紹了一種新型差動(dòng)閥，既可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)回路，也可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)控制回路，適用于有高速、小作用力和低速、大作用力要求的應(yīng)用工況。

本研究針對(duì)差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)，根據(jù)工作原理，推導(dǎo)得出了穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)的壓力特性、承載范圍和速度-負(fù)載特性。通過與常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，指出了差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)一些獨(dú)有的特性，如空載下油缸正反向速度增益相等、伸桿時(shí)差動(dòng)閥的通流能力小于標(biāo)準(zhǔn)控制閥等，并對(duì)差動(dòng)閥的選型和使用進(jìn)行了討論。

1 差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性分析

1.1 工作原理

差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)由非對(duì)稱液壓缸和差動(dòng)閥組成，工作原理如圖1所示。液壓缸伸桿時(shí)，液壓缸有桿腔流量通過差動(dòng)閥連接到閥的供油口，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)連接；液壓缸縮桿時(shí)，系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)控制回路。伸桿和縮桿方向，系統(tǒng)均為雙節(jié)流邊控制。

圖1 差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)原理圖

假設(shè)：

(1) 閥口的液流為湍流狀態(tài)；

(2) 忽略液壓缸的漏損；

(3) 控制閥為零開口滑閥。

設(shè)節(jié)流窗口面積梯度之比為wB/wA=m(0

設(shè)閥芯特性曲線為線性，即wA和wB不隨閥芯位移變化，因而閥口壓差恒定時(shí)，閥口流量與閥芯位移呈正比。

1.2 壓力特性

當(dāng)閥芯位移y>0時(shí)，活塞桿伸出，閥進(jìn)出油口的節(jié)流方程分別為:

(1)

(2)

式中,Cd—— 閥的流量系數(shù)

ρ—— 油液密度

當(dāng)活塞和負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，負(fù)載伸出速度v=QA/AA=QB/AB，于是有:

(3)

活塞和負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，力平衡方程為:

pA-npB=F/AA

(4)

由式(3)、式(4)得:

(5)

(6)

當(dāng)閥芯位移y<0時(shí)，活塞桿縮回，閥進(jìn)出油口的節(jié)流方程分別為:

(7)

(8)

(9)

活塞和負(fù)載處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，力平衡方程為:

(10)

由式(9)、式(10)得:

(11)

(12)

負(fù)載不變，差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)反向時(shí)，兩腔的壓力變化為:

(13)

(14)

可見，動(dòng)力機(jī)構(gòu)反向時(shí)，液壓缸兩腔始終存在壓力突變。此壓力突變，并不能通過改變油缸面積比和閥芯節(jié)流邊面積梯度之比而消除。

1.3 承載范圍

實(shí)際工程中，液壓缸兩腔壓力不允許為負(fù)，以避免氣穴的產(chǎn)生，此外：

活塞桿伸出時(shí)，無桿腔壓力應(yīng)小于供油壓力，由式(5)和式(6)可得，液壓缸有效承載范圍為:

(15)

活塞桿縮回時(shí)，有桿腔壓力應(yīng)小于供油壓力，由式(11)和(12)可得液壓缸有效承載范圍為:

(16)

1.4 速度-負(fù)載特性

閥額定流量方程為：

(17)

式中，ymax—— 閥口最大開度

pN—— 比例閥單邊額定壓差

QN—— 比例閥額定流量

液壓缸伸桿速度v=QA/AA，結(jié)合式(1)、式(5)和式(17)可得：

(18)

(19)

液壓缸伸桿時(shí)，速度與負(fù)載的無量綱關(guān)系式為：

(20)

液壓缸縮桿時(shí)，速度與負(fù)載的無量綱關(guān)系式為：

(21)

忽略回油壓力，當(dāng)差動(dòng)閥閥芯正反向開度相同時(shí)，非對(duì)稱缸伸桿和縮桿速度之比為:

(22)

當(dāng)負(fù)載為0時(shí)，速度之比為：

(23)

2 差動(dòng)閥與常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)對(duì)比分析

差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性相關(guān)結(jié)論如表1所示，事實(shí)上，對(duì)于常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)，根據(jù)工作原理，可以類似推導(dǎo)得出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，相關(guān)結(jié)論見表2。

表1 差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性

表2 常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性

差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的速度-負(fù)載特性曲線，如圖2所示。由圖并結(jié)合表1可以看出，當(dāng)非對(duì)稱缸面積比n=0.5時(shí)，空載情況下，油缸正反向速度相等，而與差動(dòng)閥節(jié)流窗口面積梯度之比m無關(guān)。

圖2 差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)速度-負(fù)載特性

對(duì)稱差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)(m=1,n=0.5)，受承載范圍的限制，伸桿和縮桿時(shí)的速度-負(fù)載特性嚴(yán)重不對(duì)稱。非對(duì)稱差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)(m=n=0.5)，伸桿時(shí)能夠承受的拉向(負(fù)向)負(fù)載增大，縮桿時(shí)能夠承受的壓向(正向)負(fù)載減小，速度-負(fù)載特性相對(duì)于坐標(biāo)零點(diǎn)，具有高度對(duì)稱性。由于上述原因，工程實(shí)際中差動(dòng)比例閥樣本一般僅提供非對(duì)稱閥芯(m=0.5)形式。

常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的速度-負(fù)載特性曲線，如圖3所示。由圖并結(jié)合表2可以看出，非對(duì)稱缸在空載情況下，油缸正反向速度不相等，正反向速度之比僅與油缸面積比有關(guān)，而與閥芯節(jié)流邊面積梯度之比無關(guān)。

圖3 常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)速度-負(fù)載特性

常規(guī)對(duì)稱閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)(m=1,n=0.5)，受承載范圍的限制，伸桿和縮桿時(shí)的速度-負(fù)載特性嚴(yán)重不對(duì)稱，并且負(fù)載固定時(shí)油缸換向會(huì)導(dǎo)致兩腔壓力突變。常規(guī)非對(duì)稱閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)(m=n=0.5)，伸桿時(shí)能夠承受的拉向(負(fù)向)負(fù)載增大，縮桿時(shí)能夠承受的壓向(正向)負(fù)載減小。此時(shí)，盡管速度-負(fù)載特性相對(duì)于坐標(biāo)零點(diǎn)不完全對(duì)稱，但是外負(fù)載力固定時(shí)油缸換向不會(huì)導(dǎo)致兩腔壓力突變。工程實(shí)際中常規(guī)比例閥樣本一般會(huì)提供對(duì)稱閥芯和非對(duì)稱閥芯(m=0.5)兩種形式。

比較表1和表2可知，在油缸面積比、控制閥閥芯面積比和其他系統(tǒng)參數(shù)均相同時(shí)，對(duì)于空載最大伸桿速度，差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)小于常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)；兩種系統(tǒng)空載最大縮桿速度相同，因?yàn)槎呔哂邢嗤目刂苹芈贰?/p>

3 差動(dòng)閥選型和使用

在差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸恒壓系統(tǒng)中，活塞桿伸出時(shí)，由于將有桿腔的流量引入到無桿腔形成差動(dòng)回路，因而減小了供油流量和能耗。

差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)包括：伸桿時(shí)有桿腔壓力大于供油壓力；外負(fù)載力固定油缸換向時(shí)，兩腔會(huì)產(chǎn)生壓力突變，且不能消除。因此，工程應(yīng)用中，非對(duì)稱缸兩腔一般需加裝安全閥。

差動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)的伸桿差動(dòng)回路，適用于油缸高速、小推力的場合。當(dāng)油缸需要低速、大推力伸出時(shí)，需切換為標(biāo)準(zhǔn)控制回路。差動(dòng)回路和標(biāo)準(zhǔn)控制回路的切換，既可以通過差動(dòng)閥和常規(guī)閥組合實(shí)現(xiàn)，也可以采用單個(gè)集成差動(dòng)控制和標(biāo)準(zhǔn)控制的復(fù)合比例閥實(shí)現(xiàn)。復(fù)合比例閥的差動(dòng)回路和標(biāo)準(zhǔn)控制回路切換功能，既可以通過特殊的控制閥芯如R5自動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)，也可以在常規(guī)比例閥上附加其他開關(guān)閥，通過外部手動(dòng)切換實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 復(fù)合比例閥標(biāo)準(zhǔn)回路和差動(dòng)回路的切換

4 結(jié)論

針對(duì)差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)，推導(dǎo)得出了穩(wěn)態(tài)下系統(tǒng)的壓力特性、承載范圍和速度-負(fù)載特性，通過與常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

(1) 差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)(n=0.5)，在空載下正反向速度增益相等，當(dāng)差動(dòng)閥閥芯面積梯度之比采用默認(rèn)推薦值0.5時(shí)，系統(tǒng)速度-負(fù)載特性相對(duì)于坐標(biāo)零點(diǎn)具有高度對(duì)稱性；

(2) 相同參數(shù)下，差動(dòng)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的空載伸桿速度，小于常規(guī)閥控非對(duì)稱缸系統(tǒng)的空載伸桿速度，因此，差動(dòng)閥在選型時(shí)其額定流量應(yīng)大于常規(guī)閥的額定流量；

(3) 差動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)的伸桿差動(dòng)回路，由于油缸有桿腔壓力大于供油壓力，比較適用于高速、小推力的場合，當(dāng)油缸伸桿需要低速、大推力輸出時(shí)，需切換為標(biāo)準(zhǔn)控制回路。

所得結(jié)論可作為工程設(shè)計(jì)的參考，具有一定的實(shí)用價(jià)值。