高速開關(guān)閥引導(dǎo)的智能換向閥特性分析

趙慧鵬，周俊杰，包倩倩，馬惠臣

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

對于傳統(tǒng)液壓閥而言，其品種較多。對于結(jié)構(gòu)確定的液壓閥，功能也隨之確定，應(yīng)用靈活度較低，常常為了實現(xiàn)特定的功能，將不同功能種類的液壓閥按照一定的方式組合起來，形成特定的液壓回路系統(tǒng)[1]，具有一定的冗雜性。根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成的特點，液壓閥經(jīng)歷了從手動閥到電磁換向閥，再到比例閥和伺服閥的發(fā)展歷程[2]。隨著液壓傳動技術(shù)與電磁技術(shù)、自控技術(shù)以及計算機技術(shù)相互結(jié)合，出現(xiàn)了以比例閥和伺服閥為代表的機電液一體化技術(shù)，開辟了液壓技術(shù)向高精度、高響應(yīng)發(fā)展的發(fā)展階段，隨后以高速開關(guān)閥為代表的各種液壓數(shù)字控制技術(shù)[3]也相繼出現(xiàn)，這些都為液壓元件的智能化提供了一定的技術(shù)儲備[4]，但還未出現(xiàn)真正意義上的智能液壓閥。

目前智能液壓元件技術(shù)的研究尚處于初級階段，即可編程液壓控制技術(shù)研究階段[5]。智能液壓系統(tǒng)中的可編程控制系統(tǒng)與電路控制系統(tǒng)相似，旨在通過電子控制方法代替機械控制方法，系統(tǒng)的性能由軟件控制。可編程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)液壓元件智能化的必經(jīng)途徑。可編程控制技術(shù)首先在負(fù)載口獨立的控制閥中應(yīng)用，由于負(fù)載口獨立控制閥的執(zhí)行機構(gòu)進口和出口之間的機械連接已斷開，執(zhí)行器的兩個方向都可以通過電子反饋和軟件控制器進行調(diào)整。在可編程控制閥的研究中，美國伊頓公司[6]開發(fā)了ZTS16系列多路閥，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了CMA智能型比例多路閥系列。CMA采用雙閥芯負(fù)載口獨立控制結(jié)構(gòu)，增加了控制的靈活性。丹佛斯公司開發(fā)了PVX系列多路閥。在結(jié)構(gòu)上與ZTS16系列不同，PVX系列多路閥的兩個主閥分別常通進油口和油箱，一個用于控制執(zhí)行器的進油，另一個則用于控制執(zhí)行器回油。該閥最高工作壓力42 MPa，單聯(lián)最大流量180 L/min。通過編程控制，PVX系列多路閥可以實現(xiàn)閥的多種控制功能。除此之外丹佛斯公司還研發(fā)了PVG32系列多路。該閥的先導(dǎo)部分由先導(dǎo)閥組、驅(qū)動器、傳感器等集成為一個獨立電液控制模塊(PVE)[7]。其中先導(dǎo)閥組由4個高速開關(guān)閥組成，通過對4個高速開關(guān)閥信號的編程控制，根據(jù)位移傳感器的反饋信號，調(diào)節(jié)4個高速開關(guān)閥的控制信號，來改變主閥芯兩端控制腔的壓力，從而實現(xiàn)主閥芯的位移閉環(huán)控制[8]。對于可編程閥控系統(tǒng)而言，由于傳感器對體積的占用不利于液壓閥的集成設(shè)計，對于集成傳感器的研究也得到了廣泛的關(guān)注。其中的一個解決方案就是使用嵌入式傳感器，如伊頓公司生產(chǎn)的CMA和ZTS16閥控單元利用薄膜壓力傳感器安裝在每個工作油口位置，而且每個主閥芯的位移傳感器也位于閥內(nèi)。

我國對可編程閥控單元技術(shù)的研究起步較晚，浙江大學(xué)對此展開了一些研究。其中王雙[9]提出負(fù)載口獨立控制可編程閥的設(shè)計目標(biāo)，并將其應(yīng)用在了挖掘機液壓系統(tǒng)中，通過仿真表明其作業(yè)效率可以提高15.64%。牛明杰[10]重點研究了負(fù)載口獨立閥先導(dǎo)-主閥環(huán)節(jié)和閥控缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并開展了負(fù)載口獨立液壓閥的電控系統(tǒng)實驗。雖然這些研究在一定程度上豐富了液壓閥的功能，但是還不能被稱為真正意義上的智能液壓閥。本文基于高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制和負(fù)載口獨立控制技術(shù)系統(tǒng)地提出一種新型的換向閥結(jié)構(gòu)，并對其原理和控制性能進行了仿真研究，具有一定的研究意義。

1 原理方案設(shè)計

1.1 智能閥的原理及功能介紹

智能液壓閥的主要工作原理為通過壓力位移傳感器對主閥油液壓力和閥芯位移的感知，將感知到的信號傳遞給微處理器，經(jīng)過預(yù)置控制算法的計算，完成脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號的輸出。輸出信號通過CAN總線，再由先導(dǎo)閥的機電轉(zhuǎn)換裝置(壓電感應(yīng)材料，高速電磁鐵或音圈電機)推動模擬比例先導(dǎo)閥閥芯產(chǎn)生一定的位移或者控制高速開關(guān)閥的啟閉響應(yīng)時間，從而控制主閥閥芯的位移變化，改變主閥的閥口面積來實現(xiàn)對主閥的流量、壓力和方向控制，其中主閥的開口面積與PWM信號占空比的變化有關(guān)，因此只需實現(xiàn)對先導(dǎo)閥控制信號占空比的控制，便能完成對液壓閥的功能控制。即智能液壓閥本質(zhì)上是一種節(jié)流控制閥，可以設(shè)計通用的結(jié)構(gòu)，通過實施不同的控制信號和參數(shù)，實現(xiàn)不同的液壓控制功能。智能閥的結(jié)構(gòu)原理[4]組成如圖1所示。

對于目前已經(jīng)存在的各種流量、壓力、方向控制閥[11]，本質(zhì)上都是利用了閥芯的移動來改變閥口開度，改變流量的通流狀態(tài)，從而實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，基本原理都等同于一個具有反饋功能的節(jié)流元件。因此對于任何一種形式的控制閥，其基本數(shù)學(xué)模型都可以用伯努利方程基礎(chǔ)上的流量公式[12]來表示：

(1)

式中：Q表示通過閥的流量；CT表示流量常數(shù)；A表示閥口過流面積；Δp表示閥口壓差；α表示閥口結(jié)構(gòu)形式系數(shù)。

對于一般的液壓閥常用的結(jié)構(gòu)形式，流量公式也可以表示為

(2)

式中：ρ表示油液的密度；Cd表示流量系數(shù)。

在(1)式和(2)式中，液壓閥閥口面積與閥芯位移有關(guān)，而閥芯位移可由先導(dǎo)閥輸入PWM信號的占空比τ來控制。因此在智能閥工作過程中，只需給定一定的占空比的值，便可以控制液壓閥實現(xiàn)不同的功能。

1.2 智能換向閥的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

本文提出以高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥的智能閥控單元架構(gòu)，如圖2所示。

如圖2中所示，主閥結(jié)構(gòu)采用三位三通滑閥結(jié)構(gòu)，為防止泄露，中位機能采用O型；先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)采用兩個二位三通的高速開關(guān)閥分別控制主閥的兩個控制腔。壓力傳感器通常使用嵌入型薄膜濺射壓力傳感器，主閥閥芯位移則采用線性可變差動變壓器位移傳感器感知。其主要工作原理為：通過壓力傳感器和位移傳感器感知閥的工作狀態(tài)，將感知信號反饋給處理器，根據(jù)預(yù)置的控制規(guī)則對先導(dǎo)閥輸入PWM信號的占空比進行控制，進而在電磁線圈的作用下，將PWM信號轉(zhuǎn)換為高速開關(guān)閥的開關(guān)狀態(tài)。因此可以通過輸出不同占空比的PWM信號來控制兩個先導(dǎo)閥的啟閉時間，從而控制流向主閥控制腔流量，在主閥控制腔的油液壓力的作用下主閥閥芯完成一定的位移響應(yīng)，最終實現(xiàn)對主閥流量、壓力和方向的控制。

智能換向閥的結(jié)構(gòu)主要包括主閥、先導(dǎo)閥、感知元件和控制器四大部分，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，各部分要緊湊安裝，提高集成化程度。圖3展示了智能換向閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。圖3中，pp1和pp2分別表示主閥兩個控制腔的油液壓力，V0表示主閥控制腔初始體積，xm表示閥芯位移，x0表示閥芯負(fù)開口量長度，為保證閥的響應(yīng)精度和泄露程度，x0不能取值過大或過小，Dm為閥芯直徑，dm為閥桿直徑，km為復(fù)位彈簧彈性系數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型建立

智能換向閥的數(shù)學(xué)模型區(qū)別于傳統(tǒng)閥，存在智能換向閥中先導(dǎo)閥和主閥之間的受力耦合關(guān)系，先導(dǎo)閥輸出的壓力分別作用于主閥的兩端控制腔，在耦合關(guān)系下產(chǎn)生先導(dǎo)作用力推動主閥芯進行運動。基于此可以建立以下數(shù)學(xué)模型。

2.1 主閥數(shù)學(xué)模型

主閥采用滑閥結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其主要結(jié)構(gòu)模型參數(shù)包括閥芯直徑Dm、閥桿直徑dm、U形節(jié)流槽半徑r、長度l以及深度h，閥芯行程xm、復(fù)位彈簧彈性系數(shù)km、控制腔初始體積V0等。

根據(jù)(2)式，可以得到流經(jīng)主閥流量Qm的基本公式：

(3)

式中：Cd表示主閥的閥口流量系數(shù)，一般取值0.6；W表示主閥開口面積梯度；pms和pmt分別表示流經(jīng)主閥兩端的油液壓力；ρ表示油液密度。

主閥在工作狀態(tài)下的受力主要包括先導(dǎo)控制驅(qū)動力、閥芯質(zhì)量慣性力、復(fù)位彈簧彈力，閥芯受到的液動力以及閥芯與閥體之間的阻尼力等，如圖4所示。圖4中，F(xiàn)m為主閥閥芯所受到的液動力，Bm為主閥芯的阻尼系數(shù)，xk0表示彈簧的預(yù)壓縮量。

通過受力分析，可得主閥閥芯力平衡方程[13]為

(4)

式中：Mm表示主閥閥芯運動部件質(zhì)量。

閥芯所受到的液動力包括穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力兩部分[14]。穩(wěn)態(tài)液動力是指油液穩(wěn)定流動時液體對閥芯產(chǎn)生的反作用力，與彈簧力的作用相似，通過動量定理可以表示為

Fm1=2πDmCdCv(pms-pmt)cosθ(xm-x0)=

kd(xm-x0)

(5)

式中：Cv表示流體的速度系數(shù)，一般取值0.95～0.98；θ表示射流角，對于滑閥一般取值69°；kd表示穩(wěn)態(tài)液動力等效彈性系數(shù)。

瞬態(tài)液動力是指由于閥口開度的變化，引起閥口油液流速的變化，導(dǎo)致油液動量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生對閥芯的反作用力，其作用效果與阻尼力相似，通過對動量求導(dǎo)可以得到瞬態(tài)液動力的表達式為

(6)

式中：l表示油液流過主閥空腔的流動長度；Bd表示為瞬態(tài)液動力的等效阻尼系數(shù)。

對于先導(dǎo)驅(qū)動力，主要決定性因素是主閥兩個控制腔的油液壓力，可分別表示為

(7)

式中：Qp1和Qp2分別表示先導(dǎo)閥流入主閥控制腔和流出主閥控制腔的流量；β表示油液彈性模量。

2.2 先導(dǎo)閥數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)包括高速電磁鐵和閥體結(jié)構(gòu)兩部分，電磁鐵主要結(jié)構(gòu)模型參數(shù)有電磁線圈匝數(shù)N、初始?xì)庀堕L度δ0、工作氣隙長度δ(閥芯行程)、線圈電阻R等，閥體主要結(jié)構(gòu)模型參數(shù)有球閥直徑db、推桿直徑dr、閥孔直徑ds等。

電磁線圈的電壓平衡方程[15]可表示為

(8)

式中：U表示電磁線圈的驅(qū)動電壓；L表示電磁線圈的等效電感；I表示電磁線圈通過的電流。

在電磁線圈中，忽略磁漏和裝配氣隙的影響，可以得到電磁線圈磁路磁阻Rm表達式：

(9)

繼而可以得到電磁線圈電感的表達式：

(10)

式中：Rm表示線圈磁路磁阻，包括銜鐵磁阻Rc和氣隙磁阻Rg；μ0表示空氣磁導(dǎo)率；μc表示銜鐵磁導(dǎo)率；dc表示銜鐵的直徑；xp表示銜鐵的位移，即先導(dǎo)閥閥芯的位移，最大值為工作氣隙長度δ；lc表示銜鐵的長度。

同時，根據(jù)電磁力方程，電磁線圈電磁力Fp可表示為

(11)

高速開關(guān)先導(dǎo)閥閥芯主要受到電磁線圈的電磁力，閥芯與閥體之間的阻尼力，復(fù)位彈簧彈力以及閥芯所受到的液壓力等，由牛頓第二定律，可以得出高速開關(guān)先導(dǎo)閥力平衡方程[16]：

(12)

式中：Bp為閥芯的阻尼系數(shù)；pps為先導(dǎo)閥的供油壓力；xp0表示先導(dǎo)閥彈簧的預(yù)壓縮量；kp表示先導(dǎo)閥彈簧彈性系數(shù)；dp表示高速開關(guān)先導(dǎo)閥球閥直徑。由于高速開關(guān)先導(dǎo)閥球閥直徑較小，忽略液動力的影響。

高速開關(guān)先導(dǎo)閥的瞬時流量可表示為

(13)

式中：Qp,on為先導(dǎo)閥開啟時先導(dǎo)閥流入主閥控制腔的流量；Qp,off為先導(dǎo)閥關(guān)閉時主閥控制腔流回先導(dǎo)閥的流量；Ap,on和Ap,off分別表示先導(dǎo)閥進油口和回油口的有效開口面積；ppt表示先導(dǎo)閥的回油壓力。

球閥的閥口結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)幾何關(guān)系，球閥有效開口面積Ap可表示為

(14)

式中：α滿足

(15)

將(14)式聯(lián)立，可以分別得到高速開關(guān)先導(dǎo)閥開啟和關(guān)閉過程中的閥口面積與閥芯位移的關(guān)系：

(16)

(17)

當(dāng)高速開關(guān)先導(dǎo)閥閥芯位移遠大于球閥直徑時，先導(dǎo)閥進油口和回油口的有效開口面積也可以表示為

(18)

假設(shè)高速開關(guān)閥為理想開關(guān)閥，即開關(guān)閥能立即對控制信號做出響應(yīng)，沒有滯后時間，立即達到啟閉狀態(tài)，則在一個輸入信號周期內(nèi)高速開關(guān)閥的平均流量[17]可表示為

(19)

根據(jù)理論分析，可以得到如下結(jié)論：

1)主閥的閥芯位移主要取決于先導(dǎo)閥流入主閥控制腔和流出主閥控制腔的流量，而當(dāng)高速開關(guān)先導(dǎo)閥閥芯位移遠大于球閥直徑時，先導(dǎo)閥的流量主要取決于PWM信號的占空比以及先導(dǎo)閥的供油壓力，由此可以通過控制PWM信號的占空比以及先導(dǎo)閥的供油壓力來實現(xiàn)對主閥閥芯位移的控制，進而實現(xiàn)對流量、壓力以及方向的控制，從理論上驗證了智能換向閥的工作原理。

2)由于高速開關(guān)閥電磁線圈中存在電感，同時受高速開關(guān)閥的閥芯黏性阻尼、復(fù)位彈簧以及質(zhì)量慣性的影響，先導(dǎo)閥閥芯的位移響應(yīng)較于控制信號的變化存在一定的滯后。

3 性能仿真分析

3.1 物理仿真模型

本節(jié)基于上述智能閥架構(gòu)方案設(shè)計分析，利用AMEsim軟件，搭建了相應(yīng)的物理仿真模型，如圖6所示。本模型主要分為先導(dǎo)閥級、主閥級以及負(fù)載級三級結(jié)構(gòu)。通過利用信號控制庫中的常量控制源實現(xiàn)對PWM信號占空比的控制，進而實現(xiàn)對不同占空比下智能閥的各項性能仿真分析。負(fù)載級采用普通液壓缸模型，以機械庫中的力模塊模擬負(fù)載力；利用液壓庫中的壓力源模擬具有壓力補償作用的液壓泵，通過設(shè)定減壓閥的調(diào)節(jié)壓力分別控制主閥和先導(dǎo)閥的供油壓力；主閥采用帶有U形槽的滑閥模型模擬閥口以及采用帶彈簧的活塞模型模擬主閥的先導(dǎo)控制腔；先導(dǎo)閥的部分采用球閥模型模擬閥口以及采用電磁線圈模型模擬高速電磁鐵。

模型主要仿真參數(shù)如表1所示。

表1 部分仿真參數(shù)

3.2 先導(dǎo)閥液壓靜態(tài)特性仿真分析

因為高速開關(guān)閥只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，輸出高頻離散流量，可以利用其在一個信號周期內(nèi)輸出的平均流量隨控制信號占空比的變化關(guān)系來仿真分析它的液壓靜態(tài)特性。

在已經(jīng)建立的AMEsim軟件模型中，將高速開關(guān)先導(dǎo)閥的工作口接入油箱，利用AMEsim軟件中的Study Manager模塊計算一個信號周期內(nèi)先導(dǎo)閥的平均輸出流量，并設(shè)定不同的PWM信號占空比，進行仿真，得到空載工況下，高速開關(guān)先導(dǎo)閥的平均流量隨占空比的變化關(guān)系。同時通過分別設(shè)定供油壓力參數(shù)值范圍為2～20 MPa以及信號頻率參數(shù)值范圍50～200 Hz，得到不同供油壓力下和信號頻率下高速開關(guān)先導(dǎo)閥的空載流量特性，如圖7和圖8所示。

基于上述圖像分析，得到不同信號頻率下和不同先導(dǎo)供油壓力下的占空比特性分別如表2和表3所示，可知供油壓力主要影響先導(dǎo)閥輸出流量的大小，而輸入信號頻率則主要影響占空比的線性調(diào)控范圍。

表2 不同輸入信號頻率下占空比特性

表3 不同先導(dǎo)供油壓力下占空比特性

從圖7和表3中可知，平均流量隨占空比增大而增大，在占空比0.2～0.8范圍內(nèi)呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，并且隨著供油壓力的增大而增大。當(dāng)信號頻率為50 Hz、供油壓力為2 MPa時，其他相關(guān)參數(shù)均為表1設(shè)定值的情況下，最大輸出平均流量約為1.1 L/min。

圖8和表2表明，高速開關(guān)先導(dǎo)閥的平均輸出流量大小受輸入信號頻率的影響很小，但對平均輸出流量的占空比線性調(diào)控范圍產(chǎn)生了一定的影響。隨著輸入信號頻率的增大，高速開關(guān)先導(dǎo)閥的最大流量飽和區(qū)逐漸擴大。當(dāng)輸入信號頻率為50 Hz時，最大流量飽和區(qū)占空比范圍約為0.9～1.0，而當(dāng)輸入信號頻率為200 Hz時，最大流量飽和區(qū)占空比范圍則達到了0.5～1.0，這是因為高速開關(guān)閥在響應(yīng)過程中產(chǎn)生了一定的滯后時間，當(dāng)信號周期不足以滿足高速開關(guān)閥完整啟閉過程所需時間時，高速開關(guān)閥并沒有完全關(guān)閉便進入下一個周期的響應(yīng)，隨著信號頻率的增大，高速開關(guān)閥的響應(yīng)周期時間越來越短，最終導(dǎo)致高速開關(guān)閥一直處于開啟狀態(tài)，產(chǎn)生輸出流量飽和，從而縮短了高速開關(guān)閥的線性調(diào)控范圍。

為了仿真分析高速開關(guān)先導(dǎo)閥的平均流量隨工作壓力的變化關(guān)系，將高速開關(guān)先導(dǎo)閥仿真模型的工作口接入溢流閥，通過控制溢流閥的調(diào)節(jié)壓力來模擬控制負(fù)載壓力的變化。設(shè)定先導(dǎo)供油壓力為10 MPa，輸入信號頻率為50 Hz，得到高速開關(guān)先導(dǎo)閥的流量壓力特性曲線如圖9所示。

圖9中顯示在供油壓力和輸入信號占空比一定的情況下，高速開關(guān)閥的平均流量隨其工作壓力的變化呈現(xiàn)開口向下的拋物線變化規(guī)律，隨著工作壓力的增大，平均流量逐漸減小。在低占空比情況下，工作壓力對流量特性的影響并不明顯，隨著占空比的增大，工作壓力對流量特性的影響越來越大。

3.3 先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)特性仿真分析

由于高速開關(guān)閥電磁線圈中存在電感，在線圈通入高電平電壓后，電流不能瞬間上升到穩(wěn)定值，同理，當(dāng)線圈通入低電平時，電流也不能瞬間消失。同時，由于高速開關(guān)閥的閥芯黏性阻尼以及質(zhì)量慣性的作用，使得閥芯的位移響應(yīng)較于控制信號的變化存在一定的滯后。設(shè)置仿真模型先導(dǎo)閥輸入PWM控制信號的頻率為50 Hz，占空比為50%，輸入高電平電壓為24 V，得到高速開關(guān)先導(dǎo)閥線圈電流以及閥芯位移隨PWM控制信號動態(tài)響應(yīng)曲線，如圖10所示。

通過仿真和理論分析可知，在一個信號周期內(nèi)，高速開關(guān)閥閥芯的運動可以分為6個時間階段，分別為開啟滯后時間，開啟動作時間，開啟保持時間，關(guān)閉滯后時間，關(guān)閉動作時間以及動作保持時間[18]。在上述設(shè)定的參數(shù)條件下，通過對圖形光標(biāo)測量，得到先導(dǎo)閥啟閉時間如表4所示。通過對高速開關(guān)閥的理論分析，可知影響其響應(yīng)特性主要因素包括線圈驅(qū)動電壓、線圈匝數(shù)、閥芯質(zhì)量、供油壓力、彈簧彈性系數(shù)等[19]，本節(jié)選取驅(qū)動電壓，彈簧彈性系數(shù)以及先導(dǎo)閥的供油壓力對高速開關(guān)閥響應(yīng)特性進行展開分析。

表4 先導(dǎo)閥滯后響應(yīng)時間

3.3.1 驅(qū)動電壓對先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)的影響

在其他參數(shù)值不變的情況下，設(shè)置驅(qū)動電壓U分別為12 V、24 V、36 V，得到閥芯位移響應(yīng)曲線如圖11所示。由圖可知，隨著驅(qū)動電壓的增大，高速開關(guān)閥的開啟滯后時間有所減小，但關(guān)閉滯后時間卻有所增加。這是由于當(dāng)線圈通電時，較高的電壓會產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)，但隨著電壓的升高，在線圈斷電后，也會產(chǎn)生較多的剩磁，從而導(dǎo)致電磁力減小的滯后。因此目前許多學(xué)者為了改善高速開關(guān)閥的響應(yīng)特性，提出了多種混合電壓驅(qū)動方法[20]，基本工作原理是利用高電壓快速激勵線圈產(chǎn)生電流，在接收到關(guān)閉指令后，向線圈中通入反向電壓，以提高閥芯關(guān)閉響應(yīng)速度。

3.3.2 彈簧彈性系數(shù)對先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)的影響

設(shè)定彈簧彈性系數(shù)分別為50 N/mm、100 N/mm、150 N/mm，得到閥芯位移響應(yīng)曲線如圖12所示。彈簧力是線圈斷電后閥芯位移的主要恢復(fù)力，其值的大小必然會對先導(dǎo)閥的響應(yīng)產(chǎn)生影響，彈簧彈性系數(shù)越大，閥芯的關(guān)閉滯后時間就越短，但彈簧彈性系數(shù)的增大對閥芯的開啟動作時間是不利的。由圖12可知，彈簧彈性系數(shù)對高速開關(guān)閥關(guān)閉滯后時間的影響要大于其對開啟滯后時間的影響，因此可以在一定的條件下，適當(dāng)提高復(fù)位彈簧的彈性系數(shù)以縮短高速開關(guān)閥的響應(yīng)滯后時間。

3.3.3 先導(dǎo)閥供油壓力對先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)的影響

設(shè)定先導(dǎo)閥的供油壓力pp分別為2 MPa、10 MPa、20 MPa，得到閥芯位移響應(yīng)曲線如圖13所示。先導(dǎo)閥的供油壓力直接影響著閥芯所受到的液壓力，通過分析曲線可知，供油壓力越大，高速開關(guān)閥的開啟滯后時間越長，關(guān)閉滯后時間越短。圖13中顯示先導(dǎo)閥的供油壓力的變化對先導(dǎo)閥動態(tài)響應(yīng)的影響較小，由(12)式可知，這是因為閥芯直徑以及閥芯的運動行程較小，液壓力對先導(dǎo)閥的啟閉特性影響較小。

基于上述曲線展開分析，可知先導(dǎo)閥驅(qū)動電壓主要影響先導(dǎo)閥的開啟時間；而彈簧彈性系數(shù)則主要影響先導(dǎo)閥的關(guān)閉時間；供油壓力則對先導(dǎo)閥的啟閉特性影響很小。

3.4 主閥運動特性仿真分析

主閥閥芯位移由主閥兩端控制腔的壓力驅(qū)動產(chǎn)生，而主閥兩端控制腔的壓力與先導(dǎo)閥的流量有著密切的關(guān)系，通過之前的分析，可以知道在一定的條件下，先導(dǎo)閥輸出平均流量與控制信號占空比呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，由此可以通過控制兩個先導(dǎo)閥控制信號的占空比來控制主閥閥芯的位移。在3.1節(jié)所搭建的物理仿真模型中，設(shè)定先導(dǎo)供油壓力為10 MPa，控制信號頻率為100 Hz，輸入高電平電壓為24 V，主閥彈簧剛度為30 N/mm，右端高速開關(guān)先導(dǎo)閥的控制信號占空比為0.5，改變左端先導(dǎo)閥的控制信號占空比，得到在空載工況下閥芯運動特性曲線如圖14所示，設(shè)定主閥位移向右為正方向。從圖14中可以看到，主閥閥芯位移受先導(dǎo)閥控制信號占空比的影響，當(dāng)兩個高速開關(guān)閥輸入控制信號的占空比相同時，主閥受力平衡，不發(fā)生運動；當(dāng)兩個高速開關(guān)閥的輸入信號占空比有了差值后，主閥閥芯開始向輸入信號占空比較小的先導(dǎo)閥一側(cè)運動，并且隨著差值的增大，運動速率也逐漸增大。

同時主閥閥芯在運動過程中，發(fā)生了一定的周期性振動，且振動周期與控制信號的周期相同，同時振動幅度隨著閥芯位移的增大而增大。這是由高速開關(guān)閥先導(dǎo)閥輸出離散流量引起，為了提高主閥閥芯的穩(wěn)定性，可以通過適當(dāng)?shù)卦龃罂刂菩盘栴l率或者減小先導(dǎo)閥的供油壓力來減輕主閥閥芯的周期性振動，如圖15和圖16所示。

圖15表示在先導(dǎo)閥供油壓力為10 MPa，左右兩端控制信號占空比為0.2和0.5，頻率分別為50 Hz、80 Hz、100 Hz下的閥芯運動特性圖。在信號頻率為50 Hz時，振動幅度約為0.4 mm，其閥芯振動幅度隨著控制信號頻率的增大而減小，當(dāng)信號頻率增大到100 Hz時，振動幅度減小到了0.15 mm左右。圖16表示在先導(dǎo)閥輸入信號為50 Hz，左右兩端控制信號占空比為0.2和0.5，先導(dǎo)供油壓力分別為2 MPa、5 MPa、10 MPa、15 MPa下的主閥閥芯運動特性圖。在先導(dǎo)供油壓力為2 MPa時，主閥閥芯位移振動幅度最小，約為0.1 mm，隨著先導(dǎo)供油壓力的增大，主閥閥芯位移振動幅度也在增加，當(dāng)先導(dǎo)供油壓力達到15 MPa時，主閥閥芯位移振動幅度則達到了0.6 mm。

受彈簧回復(fù)力的影響，對于不同的占空比組合，主閥閥芯達到平衡位置時的位移也不同，如圖17所示，主閥閥芯行程范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)位移均可通過設(shè)定不同的占空比組合來實現(xiàn)，驗證了通過控制先導(dǎo)閥控制信號的占空比來控制主閥閥芯實現(xiàn)指定位移方案的可行性。

3.5 PWM信號占空比控制方法研究與仿真

由3.4節(jié)的仿真結(jié)果可以看出，可以通過控制兩個先導(dǎo)閥PWM信號的占空比來實現(xiàn)對主閥閥芯的位移控制，本節(jié)進一步結(jié)合模糊PID控制理論，利用對不同的偏差信號和偏差變化率信號進行模糊化處理，在提前確定的隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則下進行推理，輸出PID參數(shù)的修正量，從而完成對PID參數(shù)的實時調(diào)整，得出兩個先導(dǎo)閥PWM信號占空比的控制算法分別表示為

Kd[Δx(k)-Δx(k-1)]

(20)

Kd[Δx(k)-Δx(k-1)]

(21)

式中：Kp、Ki、Kd分別為位移模糊PID的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)；Δx為k時刻目標(biāo)位移與實際位移的偏差。

主閥閥芯位移控制方法如圖18所示。

根據(jù)PWM信號占空比的控制算法以及主閥閥芯位移控制方法，在Simulink中搭建控制器模型如圖19所示。

在先導(dǎo)閥的供油壓力為10 MPa，控制信號頻率為50 Hz的條件下，分別在0 s、1 s、2 s時刻輸入1 mm、3 mm、-1 mm的階躍信號以及頻率為2 Hz，幅度為4 mm的正弦信號，得到主閥閥芯位移響應(yīng)如圖20和圖21所示。

由圖21可知，雖然階躍信號位移響應(yīng)和正弦信號位移響應(yīng)都產(chǎn)生了一定的滯后時間，但滯后時間都在80 ms之內(nèi)，表現(xiàn)出了良好的位移控制特性，進一步驗證了通過控制PWM信號占空比來控制主閥閥芯位移的可行性。

4 結(jié)論

本文提出帶有高速開關(guān)先導(dǎo)閥的智能換向閥原理方案，并設(shè)計得到高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的智能閥結(jié)構(gòu)方案。通過仿真，得到了該閥的性能特性。得出主要結(jié)論如下：

1)先導(dǎo)閥的輸出流量主要受供油壓力影響，且隨著供油壓力的增加，先導(dǎo)閥的最大輸出流量也在不斷增加，供油壓力為20 MPa時，最大輸出流量達到了3.3 L/min；信號頻率主要影響先導(dǎo)閥的占空比線性調(diào)控范圍，隨著頻率的增加，占空比線性調(diào)控范圍逐漸減小。

2)先導(dǎo)閥的響應(yīng)存在滯后時間，約為5 ms，驅(qū)動電壓主要影響先導(dǎo)閥的開啟滯后時間，并且隨著驅(qū)動電壓的增加，開啟滯后時間逐漸減小；而先導(dǎo)閥的關(guān)閉滯后時間主要與彈簧彈性系數(shù)有關(guān)，并且隨著彈簧彈性系數(shù)的增加而減小。

3)在先導(dǎo)閥控制信號的頻率為50～100 Hz且占空比在0.2～0.8范圍內(nèi)，主閥具有良好的線性位移控制特性。并結(jié)合模糊PID控制理論，提出了PWM信號占空比控制方法，該方法下主閥閥芯位移響應(yīng)滯后時間在80 ms之內(nèi)，驗證了通過控制先導(dǎo)閥PWM信號占空比進而控制主閥閥芯位移方案的可行性。