非對(duì)稱伺服閥在閥控缸電液伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭宏偉，王 宇，宣默涵，周 琳，姜 楠，張?zhí)禊i，馬立軍，楊 羽

(1.長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022)

閥控缸電液伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備中[1-3]，伺服油缸根據(jù)油缸出桿方式分為單出桿和雙出桿2種結(jié)構(gòu)。單出桿伺服油缸兩腔的面積不相等，稱為非對(duì)稱伺服油缸；雙出桿伺服油缸兩腔的面積相等，稱為對(duì)稱伺服油缸。非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，并且能夠滿足多數(shù)工況的需求，因此被廣泛采用[4-6]。

比例伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，設(shè)計(jì)中，比例伺服閥與伺服油缸的選擇及匹配是否合理會(huì)影響系統(tǒng)性能[7]。

在傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算資料中，多數(shù)以液壓馬達(dá)或?qū)ΨQ油缸為執(zhí)行元件來(lái)設(shè)計(jì)，所選控制元件伺服閥的控制窗口是配作且對(duì)稱的零開(kāi)口滑閥[8-10]，針對(duì)閥控非對(duì)稱缸電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)還是沿用之前的設(shè)計(jì)方法。

本文以電液伺服系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析了對(duì)稱伺服閥和非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸2種配置進(jìn)行理論分析，提出了采用非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸的優(yōu)化配置設(shè)計(jì)。

1 伺服閥非對(duì)稱結(jié)構(gòu)

伺服閥非對(duì)稱結(jié)構(gòu)是指伺服閥P-A口額定流量和B-T口的額定流量不相等，REXROTH品牌高頻相比例伺服閥樣本如圖1所示，其中E1、W1和V1型伺服閥為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，當(dāng)P-A口流量為qv時(shí)，B-T口的流量為qv/2，當(dāng)P-B口流量為qv/2時(shí)，B-A口的流量為qv，該結(jié)構(gòu)與差動(dòng)伺服油缸兩腔流量相匹配。而其他型號(hào)的伺服閥為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即P-A口流量與B-T口的流量相等。

圖1 REXROTH品牌高頻響比例伺服閥樣本

2 閥控缸結(jié)構(gòu)分析

在相同的輸出能力情況下，對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸和非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸2種結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)是不同的，下述對(duì)2種情況進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸

對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)如圖2所示，伺服閥是零開(kāi)口高頻響比例伺服閥，伺服閥閥套控制窗口是對(duì)稱的。圖2中各參數(shù)如下：A1為伺服油缸無(wú)桿腔面積；A2為伺服油缸有桿腔面積；PS為系統(tǒng)供油壓力；P0為系統(tǒng)回油壓力；P1為伺服油缸無(wú)桿腔壓力；P2為伺服油缸有桿腔壓力；Q1為伺服閥1號(hào)控制窗口流量；Q3為伺服閥3號(hào)控制窗口流量；xv為閥芯位移。

圖2 對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)

忽略伺服閥和伺服油缸連接管道之間的壓力損失，圖1中伺服閥1號(hào)控制窗口壓力和伺服油缸無(wú)桿腔壓力P1相等，伺服閥3號(hào)控制窗口壓力和伺服油缸無(wú)桿腔壓力P2相等，回油壓力P0=0。

伺服閥控制窗口流量公式：

(1)

ΔPA=PS-P1

(2)

(3)

ΔPB=P2

(4)

式中，Cd為流量系數(shù)；ω為面積梯度，對(duì)于四窗口閥，ω=4a；Xv為閥芯位移。

根據(jù)流量連續(xù)方程得到下式：

Q1=V·A1

(5)

Q3=V·A2

(6)

式中，V為伺服油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度。聯(lián)立式1、式3、式5和式6，得到下式：

(7)

定義面積比R如下：

(8)

將式8代入式7簡(jiǎn)化如下：

(9)

由上式可以看出，在對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸時(shí)，伺服油缸無(wú)桿腔壓降是有桿腔壓降的R2倍。對(duì)于差動(dòng)型非對(duì)稱油缸，面積比R=2，此時(shí)閥壓降為

ΔPA=4ΔPB

(10)

將式2和式4代入式10整理得：

PS=P1+4P2

(11)

對(duì)于差動(dòng)伺服油缸，液壓系統(tǒng)壓力是伺服油缸無(wú)桿腔壓力與伺服油缸有桿腔壓力的4倍之和。

2.2 非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸

非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)如圖3所示，比例伺服閥是零開(kāi)口高頻響閥，閥套控制窗口是配作且非對(duì)稱。圖3中參數(shù)標(biāo)識(shí)與圖2中參數(shù)一致。

圖3 非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱伺服油缸結(jié)構(gòu)

伺服閥控制窗口流量公式：

(12)

(13)

式中，ω1為非對(duì)稱閥套A控制窗口的面積梯度；ω2為非對(duì)稱閥套B控制窗口的面積梯度。對(duì)于四窗口閥有：

ω1=4a

(14)

ω2=4b

(15)

a=2b

(16)

聯(lián)立式14～式16得到

(17)

聯(lián)立式5、式6、式12、式13和式17得：

(18)

將式8代入式18簡(jiǎn)化：

(19)

由上式可以看出，在非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸時(shí)，伺服油缸無(wú)桿腔壓降是有桿腔壓降的R2/4倍。對(duì)于差動(dòng)型非對(duì)稱油缸，面積比R=2，此時(shí)閥壓降為

ΔPA=ΔPB

(20)

將式2和式4代入式20整理得

PS=P1+P2

(21)

對(duì)于差動(dòng)伺服油缸，液壓系統(tǒng)壓力是伺服油缸無(wú)桿腔壓力與伺服油缸有桿腔壓力之和。

2.3 對(duì)比結(jié)果分析

式11和式21中，無(wú)桿腔壓力P1和有桿腔壓力P2由負(fù)載力FL所決定，在同一伺服油缸承受相同負(fù)載力，并且保持閥控油缸具有相近的控制能力時(shí)，對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的供油壓力PS大于非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的供油壓力PS。相應(yīng)的對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需油源功率大于非對(duì)稱閥控制非對(duì)稱差動(dòng)油缸所需的油源功率。

3 典型電液伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

旋壓機(jī)3個(gè)橫向進(jìn)給動(dòng)作采用電液伺服閉環(huán)控制，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，3個(gè)橫向伺服油缸安裝在托板內(nèi)，互相成120°布置。

圖4 旋壓機(jī)橫向進(jìn)給電液伺服系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)

電液伺服系統(tǒng)液壓原理如圖5所示，原設(shè)計(jì)采用REXROTH品牌10通徑對(duì)稱結(jié)構(gòu)高頻響比例伺服閥，型號(hào)為4WRTE10V，系統(tǒng)壓力為PS=16 MPa，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為45 kW，3個(gè)油缸輸出力都是300 kN。伺服油缸最大輸出速度為2 000 mm/min，伺服油缸規(guī)格為φ200/φ140。

圖5 液壓原理圖

伺服油路塊結(jié)構(gòu)如圖6所示，旋壓力的采集，對(duì)橫向進(jìn)給油缸兩腔壓力采集，3個(gè)橫向伺服油缸采用6個(gè)壓力傳感器采集油缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力值，并將壓力值轉(zhuǎn)換成0～10 V電壓信號(hào)輸出。計(jì)算機(jī)采集壓力傳感器的輸出電壓信號(hào)，并進(jìn)行運(yùn)算，得到3個(gè)橫向伺服油缸的輸出力，并實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面上。壓力采集計(jì)算原理如圖7所示。

圖6 伺服油路塊外形結(jié)構(gòu)

圖7 壓力采集計(jì)算原理

原設(shè)計(jì)方案在工作時(shí)，當(dāng)輸出力達(dá)到300 kN時(shí)，通過(guò)伺服油缸兩腔壓力傳感器測(cè)得兩腔壓力分別為P1=10.42 MPa，P2=1.71 MPa。

應(yīng)用本文方法對(duì)電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用力士樂(lè)10通徑非對(duì)稱高頻響比例伺服閥， 型號(hào)為4WRTE10V1，系統(tǒng)壓力降為15 MPa，當(dāng)伺服油缸輸出力達(dá)到300 kN時(shí)，測(cè)得伺服油缸兩腔壓力為P1=11.44 MPa，P2=3.7 MPa。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率也隨之降為37 kW。

可以看到，采用非對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸時(shí)，伺服油缸兩腔壓力都大于對(duì)稱伺服閥控制非對(duì)稱伺服油缸，控制能力明顯提高，同時(shí)優(yōu)化后系統(tǒng)壓力降為15 MPa，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率降為37 kW，降低了8 kW。

4 結(jié)語(yǔ)

在電液伺服閉環(huán)控制中，若伺服油缸為差動(dòng)油缸時(shí)(A1/A2≈2)，選擇非對(duì)稱比例伺服閥在保證伺服系統(tǒng)控制能力不變的情況下可以有效降低系統(tǒng)壓力，減小驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率，減少功率損失。目前非對(duì)稱比例伺服閥已系列化，如REXROTH產(chǎn)品V1型號(hào)。

當(dāng)執(zhí)行元件為對(duì)稱油缸(A1≈A2)或液壓馬達(dá)時(shí)，選擇對(duì)稱比例伺服閥更為合理。

對(duì)三輪旋壓機(jī)橫向進(jìn)給電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，在保證系統(tǒng)控制能力不變的情況下，系統(tǒng)壓力降低了2 MPa，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率降低了8 kW，減少了能源損耗。