大流量高响应比例节流阀的研究-共享资料网
大流量高响应比例节流阀的研究
；拘多：土譬硕Ｊ一学位论文⑧浙江大学硕士学位论文摘要压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，对压铸件的质量、生产效率等有 着直接的影响。近年来随着汽车工业的迅速发展，我国压铸机行业以前所未有的 速度向前发展。应用于压铸机的大流量高响应节流阀是实现高性能压铸机的一项重要研究内容。本论文着重阐述了一种应用于压铸机的大流量高响应比例节流阀 的设计、仿真和试验。本文通过分析压铸机压铸工艺对节流阀的性能要求，并参考国外现有元件的 研究成果，提出了一种新型的大流量高响应比例节流阀的结构方案。该方案为三 级放大结构，先导级采用比例电磁铁推动的四边滑阀，放大级采用伺服活塞，主 级采用插装阀。先导级和放大级之间采用位移一力反馈控制，主级与放大级之间 采用快速随动控制。为了达到阀的阶跃响应的性能要求，对影响先导级阶跃响应性能的主要因素进行了分析，并对比例放大器控制下的比例电磁铁的阶跃响应性 能进行了仿真和试验分析。本文通过对比例节流阀的内部结构原理、液压半桥控制原理和级间反馈等原理的分析，阐明了该阀的工作原理。接着建立了阀的数学模型，运用ＡＭＥＳｉｍ软 件对阀的动态性能进行了仿真分析，并讨论了相关参数对阀动态特性的影响。在仿真的基础上对阀的各级参数进行了匹配优化，完成了阀的详细结构设计并研制出大流量高响应比例节流阀样机。根据阀的大流量高响应的特点，本文设计了以蓄能器提供瞬时大流量、以无 载伺服缸测量瞬时流量的试验方案。搭建了大流量高响应比例节流阀的试验台并 对该阀的阶跃响应性能进行了测试。试验结果表明本文所研制的大流量高响应比例节流阀的输出流量比例可调．其阶跃响应性能基本达到了设计要求。关键词：压铸机；比例节流阀；液压半桥；大流量；高响应；仿真浙江大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｅｔＤｉｅ ＣａｓｔｉｎｇａＭａｃｈｉｎｅｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ Ｄｉｅ Ｃａｓｔｉｎｇ ｗｈｉｃｈ ｈａｓｄｉｒｅｃｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓ．Ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ａ ｒａｐｉｄｌｙｇｒｏｗｉｎｇ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｖａｌｖｅ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｔｅｎｔｏｎｅｏｆｔｈｅ ｍｏｓｔ ｔｈｅｓｉｓｉｎｔｈｅ ｈｉ【ｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＤｉｅ Ｃａｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｉｓｅｌａｂｏｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｈｒｏｔｔｌｅ ｖａｌｖｅ． Ａ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅｄｅｓｉｇｎｏｆ ｌａｒｇｅ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｈｒｏｔｔｌｅｏｎｖａｌｖｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｉｎｇ ｔｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｔｈｒｏｔｔｌｅ ｖａｌｖｅ’Ｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｆｏｒｅｉｇｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ’Ｓｓｔａｇｅ ｉｓｈａｓ ｔｈｒｅｅ ｓｔａｇｅｓ，ｔｈｅ ｐｉｌｏｔｆｏｕｒ－ｓｌｉｄｅ―ｖａｌｖｅｓｅｒｖｏｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔａｇｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｉｓｅｌｅｃｔｒｏ?ｍａｇｎｅｔ，ｔｈｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｓｔａｇｅ ｉｓｃｙｌｉｎｄｅｒ，ａｎｄｃａｒｔｒｉｄｇｅ ｖａｌｖｅ．Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－ｆｏｒｃｅｆｅｅｄｂａｃｋ ｉｓ ｕｓｅｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｌｏｔ ｓｔａｇｅａｎｄａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｔａｇｅ，ｗｈｉｌｅ ｒａｐｉｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｕｓｅｄｂｅｔｗｅｅｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｓｍａｉｎ ｓｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｏｔ ｓｔａｇｅ’ｓ ｓｔｅｐ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏ―ｍａｇｎｅｔ＇ｓ ｓｔｅｐ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ 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射性能的两项关键指标之一的最大空压射速度普遍为６～８ｍ／ｓ，高的达ｌＯｍ／ｓ以上；另一项增压阶段的建压时间，一般为２０～３０ｍｓ，高水平的则小于ｌＯｍｓ。这 些性能的都是在压射系统的机械结构、液压系统、控制系统等方面不断改进和创新的基础上实现的【３１。而液压系统中决定压射性能的一个关键元件就是大流量高响应的节流阀。压铸机电液控制系统按其发展历程及压铸工艺参数的调节方式可分为手调式电液控制系统、电液比例控制系统和电液伺服实时控制系统三种类型。电液比 例调节式压铸机压射机构的液压系统原理图如图１―１所示。其工作原理大致如下：在浇料口封闭后压射冲头将熔融的金属填充压室时，电磁铁Ｓｌ和Ｓ３得电，主液 压油源的压力油经过换向阀（２）进入压射缸无杆腔，压射缸有杆腔的油液经二通 插装式换向阀（５）回到油箱，此时压射冲头以较慢的运动速度前进，此过程即慢 压射过程。当熔融的金属充满压室开始通过内浇１３进入型腔时，为获得较好的压 铸质量，要求较高的压射速度。此时，插装式比例节流阀（３）得到一个指令信号 而打开，主蓄能器（７）中的压力油经节流阀进入压射缸无杆腔，形成瞬时的大流 量，使得压射冲头快速前进，此时的压射冲头的速度称为快压射速度。快压射速度主要由主蓄能器压力、节流阀（３）的阀Ｉ：１开度和负载情况决定，通过改变比例 节流阀（３）的指令信号的大小可以实现对快压射速度的调节。当熔融金属充满型 腔后，冲头前进的阻力迅速增大并迫使冲头停止运动，为了增加压铸件内部金属浙扛大学硕士学位论文组织的致密度并使熔融金属充满模型腔的每个角落，要求熔融金属在较高的压力下冷却。因此此时控制比例节流阀（４）迅速打开，增压蓄能器（８）内的高压油迅速 迸入增压缸大腔，并在压射缸的无杆腔产生数倍于增压储能器压力的高压，此压 力通过冲头作用在熔融金属上，产生所需要的金属冷却压力。快压射动作和增压动作的可由位置或者压力触发。此类压铸机的整机控制一般由ＰＬｃ和工控机共同 完成，ＰＬＣ主要负责整机动作的协调，而工控机用于对压铸过程的工艺参数进行采集并显示１４ＪＩ’１。图１－１压铸工艺参数电液比例调节控制系统原理图 １一截止阀２一换向阀３一插装式比例节流阀４一插装式比例节流阀５一二通插装式换向阀 ６～二通减压阀７一主储能器Ｓ一增压储能器９～行程开关１０一单向阀１１一压射缸 １２一模具１３一压力传感器１４－两位三通电磁换向阀１５一光电编码器压铸压力、压铸速度是压铸过程中的主要工艺参数，图１１２所示为典型的三 级压射过程中压铸压力、冲头速度、冲头位移随时间的变化曲线。压铸的开始阶段为匀加速慢压射阶段，然后要求在很短的时间内达到设定的充型速度（最大空压射速度超过ｌＯｍ／ｓ，最大工作速度达６ｍ／ｓ）。由于整个充型阶段时阔一般为２０～ ８０ｍｓ，所以要求控制阀在很短的时间内（一般小于２０ｍｓ）打开。且瞬时流量达 ４０００Ｌ／ｍｉｎ以上。同时在增压阶段要求建压时间短（一般小于３０ｍｓ），压力超调小（一般不超过５％）。要达到以上技术指标，就需要一只响应足够快，流量足 够大的节流阀。节流阀性能的好坏在一定意义上也就决定了压铸及的性能。２浙江大学硕士学位论文在电液伺服实时控制的压铸机系统中，为了使控制有效，压射控制系统必须 能够以只相当于一次充填所用时间的大约１０％，ｌｌＪｌ２～８ｍｓ的响应时间来控制速度曲线ｆ“ｏｌ。要实现这样的响应速度，在目前的技术条件下只有伺服阀才能胜任。 本课题的研究目的在于研究一种高响应、大流量的比例节流阀，用于电液比例控 制的压铸机系统，因此只对电液比例控制的压铸机系统的一些工作情况作较详细的介绍。●咖７∞啪蜘位置●ｒ―ｒ▲枷如盖度、一期御。筠▲一Ｐ学＿Ｌ鼽 一７Ｌ…ｌｆｉ、图１－２压铸压力、冲头速度、冲头位移随时同的变化曲线１．１．２课题的研究意义压铸是近代金属加工工艺发展较快的一种高效率、少无切削的金属成型精密 铸造方法，由于与其他铸造方法比较，具有生产工艺流程短、工序简单而集中，不需要繁多的设备和庞大的工作场地，铸件质量优、精度高、表面光洁程度好等 优点，因而广泛应用于国民经济生产中的各个行业。随着中国汽车工业的崛起和 发展，对压铸机的需求量逐年增加，中国的压铸业面临巨大的发展机遇和强有力 的国际竞争。国产压铸机的生产已经初具规模，但国产压铸机的液压控制系统中的关键元件基本都是进口元件，价格昂贵［１１－１２】。因此，有必要对大流量、高响应的比例节流阀进行研究，实现电液比例控制压铸机的液压系统关键元件的国产 化。同时，课题的研究方法和结论对其他液压元件的研制也具有一定的参考价值。因此，本课题的研究不仅实用意义明确，而且也具有一定的理论价值。１．２国内外研究现状分析由于压铸的特殊工艺要求，节流阀必须能够在很短的时间内（一般小于 ２０ｍｓ）打开的合适的开度，同时不能有太大的超调。而节流阎的额定流量和阶 跃响应速度（由０到ｌｏｏ％阀口开度的响应时间）是一对互相制约的参数，要在很 大的额定流量下获得如此快的响应速度，同时又不能有大的超调，是非常困难的。３浙江大学硕士学位论文针对压铸机对节流阀的特殊要求，目前国际上知名的液压件生产厂商都设计 制造了各自的大流量节流阀，如Ｍｏｏｇ、Ｒｅｘｒｏｔｈ、Ｐａｒｋｅｒ、Ａｔｏｓ等。以５０通径的 大流量节流阀为例，各大厂商的阀各有自己的特点，但总体架构上基本类似，均 采用了多级放大结构。它们的主级均采用主动式插装阀，而先导级由一个高响应 的控制阀组成，并且都在主阀芯上安装有ＬＶＤＴ位移传感器，通过集成在阀上的 放大板对主级阀口的开度进行闭环控制，以提高阀的动态性能。图１－３ Ｍｏｏｇ ５０通径二通伺服阀结构示意图‘”】图１－４ Ｍｏｏｇ ５０通径何服阀先导级（Ｄ６６１）结构示意图ｆ州４浙江大学硕士学位论文图１－５Ｒｅｘｒｏｔｈ５０通径二通插装伺服阀结构示意图｛１５】图Ｉ－６Ａｔｏｓ ５０通径二通插装式比例伺服阀结构示意图ｌＪ６】Ｍｏｏｇ公的５０通径的二通伺服插装阀的结构如图ｌ一３所示，先导级采用的Ｍｏｏｇ生ｒ＿产的Ｄ６６１型二级伺服阀，如图１．４，其伺服先导级为射流管式伺服阀，经 过一个滑阀进行流量的二级放大。二级伺服阀的额定流量为３５Ｌ／ｍｉｎ（ＡＰ＝５ｂａｒ）。５浙江大学硕上学位论文因为先导级的流量只有３５Ｌ／ｒａｉｎ，而主级阀芯的最大行程为１４ｎｕｎ，因此在主阀芯的控制上选用一定面积比的环形面积进行控制，以减小主阀芯运动时造成的控制腔容积的的变化大小，使得先导流量满足控制腔容积变化时的流量要求。通过在 主级阀芯上安装ＬＶＤＴ位移传感器对主级阀口开度进行位置闭环控制。Ｒｅｘｒｏｔｈ公司生产的５０通径二通插装伺服阀的结构示意图如图１．５所示，它的 先导级同样采用的是二级伺服阀，但伺服阀的先导级采用的是喷嘴挡板式伺服 阀。二级伺服阀的额定流量为８０１ｄｒａｉｎ，主级阀芯的最大行程为１５ｔｍｎ。在先导级对主阀芯的控制上同样采用一定面积比的环形面积进行控制，而主级的阀芯的位置由安装在主阀芯上的ＬＶＤＴ位移传感器进行反馈控制。 Ａｔｏｓ公司的ＬＩＱＺＯ－ＬＥ系列高响应插装式比例节流阀的结构如图１－６所示，由 于先导级采用的是高响应的动铁式比例阀，可以直接提供４０Ｌ／ｒａｉｎ的流量，因此 阀的整体结构为两级放大型式。先导级同样通过主级阀芯上的一定面积比的环形 面积控制主级阀芯的运动，配合安装在主级阀芯上的ＬＶＤＴ位移传感器对主阀芯 进行位置闭环控制。Ｐａｒｋｅｒ公司的５０通径高响应插装式比例节流阎的结构与Ａｔｏｓ 的基本一样，不同之处在于Ｐａｒｋｅｒ公司的阀的先导级采用的是其最新开发的动圈 式比例阀，极大的提高了先导阀的动态响应性能【ｌ”。表Ｉ．１给出了上述公司生产的大流量节流阀的先导级构成特点和性能参数的比较。表１．１国外厂商的大流量节流阀的性能比较表 厂家 先导级形式 阶跃响应时间 抗油污能力 额定流量（５ｂａｒ） 价格ＭｏｏｇＲｅｘｒｏｔｈＰａｒｋｅｒＡｔｏｓ射流管式伺服阀１５ｍｓ喷嘴挡板式伺服阀ｌｄｍｓ动圈式比例阀１６ｍｓ动铁式比例阀２０ｍｓ较差２７００Ｌ／ｍｉｎ差１６００Ｌ／ｍｉｎ较好 ２０００Ｌ／ｍｉｎ 较高好２０００Ｌ／ｍｉｎ高高较低从上表可以看出，各公司的大流量伺服节流阀的主要区别在先导级的选择上。Ｒｅｘｒｏｔｈ公司采用喷嘴挡板式伺服阀作先导级，由于挡板质量小，频响高，因此具有很快的阶跃响应，但抗油液污染能力差，生产成本较高，另外其阶跃响 存在一些超调。Ｍｏｏｇ公司采用射流管式伺服阀做先导级，其抗油液污染能力较 强，且超调量较小（几乎没有），但动态响应特性稍差。Ｐａｒｋｅｒ公司采用了最新 研制的动圈式比例电磁铁作为先导级的电机械转换器，先导阀芯为滑阀结构，在基本不损失其动态性能的情况下，大大改善了先导级的抗油液污染能力，同时具有较低的制造成本”８１。Ａｔｏｓ．ⅢｌＪ采用高响应的比例伺服阀作为先导级，其大范围跳变的响应时间与其他公司的几种阀相比性能基本相当，而小范围的动态响应特性６浙江大学硕士学位论文则相差较大。但其制造成本较低，同时抗油液污染能力也得到大幅度的提高，因 此在欧洲压铸机市场也得到了广泛的应用。目前国内的液压件厂商尚没有类似的产品。１．３研究内容本文主要研究～种大流量高响应的比例节流阀用于压铸工艺参数电液比例调节控制系统的压铸机中，在满足系统性能要求的前提下尽量降低生产制造成 本。由于压铸过程是一个不断重复循环的过程，因此在整个控制系统上可以通过 压铸机压射杆上的光电编码器的反馈信号实现大的闭环控制。也就是说，在一次 压射过程中，比例节流阀按事先设定的参数打开到一定开度，在一次压射结束后 工控机将上一次的压射杆的运动速度与实际需要的压射速度相比较，如果速度超 过设定的误差范围，则自动调节下一次压射时比例节流阀的参数，最终实现实际压射参数与设定参数达到一致。这种控制策略的优点是结构简单，控制方便，同时对传感器和阀的性能要求相对较低。 本文的第二章中，在分析比较各种设计方案的优缺点的情况下，确定了一种经济可行的方案，并完成了先导级，放大级和主级的结构设计。论文第三章中分析了阎的数学模型，并采用ＡＭＥＳｉｍ和Ｍａｔｌａｂ进行逐级仿真，对阀的结构参数进行优化设计。 论文第四章中针对该阀大流量高响应的特点，设计试验方案并搭建了试验 台，最后完成了阀的性能测试，得出试验数据。１．４本章小结本章第一节先介绍了大流量高响应比例节流阀的应用背景，并对压铸工艺对阀的性能要求进行了一定的分析，然后介绍了本课题的研究意义。 第二节介绍了国外多种大流量高响应的插装伺服阀，并对其结构特点的性能 参数进行了分析对比。 第三节对本课题的研究内容进行了概要介绍。７浙江大学硕士学位论文第二章大流量高响应比例节流阀的设计２．１概述 ２．１．１节流阀的分类节流阀是一种最简单的流量阀，它的受控参数不是流量，而是主阀芯的轴向位移或转角。按控制方式的不同，一般可分为手动节流阀，电液比例节流阀和伺服控制节流阀。而按对功率级的控制方式，又可分为直接作用式和先导控制式。 直接作用式结构由于阀的输出功率受比例电磁铁的限制，因此一般只能用于小通 径的节流阀。在工程应用中，大于ｌＯ通径的比例节流阀一般多采用先导控制型结构１１９１。另外根据阀内所含的反馈方式不同，比例节流阀又可分为位移一力反馈型和位移一电反馈等类型。位移一力反馈型的主阀芯位移经反馈弹簧提供反馈 力，作用到先导阀芯上与比例电磁铁的电磁力相平衡，使先导阀芯稳定在某一平 衡位置上，从而使输出的阀芯位移与输入的控制电信号成比例。位移一电反馈型 则采用位移传感器来测量阀芯的位移作为反馈，比例电磁铁的电磁力克服复位弹 簧的弹簧力和液动力控制阀芯运动到设定的位置。位移一力反馈型结构简单可 靠，成本低廉，但其控制精度受放大器和比例电磁铁的非线性、阀芯、弹簧等的制造误差以及摩擦力、液动力等的影响。而位移电反馈型比例节流阀的的上述影 响因素均可由电反馈闭环所抑制，只要位移传感器的精度足够高，阀的稳态精度就可以达到相当高的水平‘１９】【２０ｌ，但缺点是结构复杂、成本高、实现难度大。２．１．２节流阀的结构大流量的节流阀的一般采用先导式结构，主级可以是二通插装阀，或是滑阀结构。二通插装阀具有流通流量大，动态响应快，标准化程度高的优点，因此， 大于１６通径的阀，大多都采用二通插装阀结构。对于３２通径以上的比例和伺服 节流阀，为了保持一定的动态响应速度以及较好的稳态控制精度，一般采用三级控制方案【１９１１２１１。２．１．３总体方案由于压铸工艺要求，压铸机在快速压射阶段需要的瞬时流量达４０００Ｌ／ｍｉｎ以上，要实现如此大的流量，在阀的主级上基本上只能选择二通插装阀结构。而 ５０通径的二通插装阀在压差为５ｂａｒ的条件下流量一般可达２０００Ｌ／ｒａｉｎ，因此初 步将阀的主级确定为５０通径的二通插装阀。由于该阀是为电液比例控制的压铸机而设计，系统在控制方式上不要求阀口开度的实时控制，根据国外同类产品的分析比较可知先导级采用高响应的比例阀结构也能满足性能上的要求，同时还可以降低成本。在级间反馈形式的选择上，８浙江丈学硕士学位论文虽然位移一力反馈型存在稳态误差受比例电磁铁位移力特性、摩擦力和液动力等影响的缺点，但通过在比例控制放大器中加入适当频率和幅值的颤振信号后，也能达到相对满意的精度１２２】。而位移一电反馈方案由于成本高，实现难度大，暂不采用。由于受比例电磁铁提供的功率限制，先导级为了获得较快的响应速度，往往只能提供比较小的流量。而主级为了得到较高的响应速度，需要大的控制流 量，因此通常需要在主级和先导级中问再增加一个放大级。此外，由于压铸机使 用中的系统安全方面的要求，还需要增加一个使能阀：在使能阀没有使能时，主 阀处于可靠的关闭位置；只有使能阀使能后，主阀才接受指令信号打开。 综上，总体方案为：采用一个高频响的比例阀控制作先导级，先导级信号经 放大级放大后再控制一个作为主级的二通插装阀，反馈方式上采用位移一力反馈结构。２．２阀的工作原理本课题研究的比例节流阀的液压原理图如图２一ｌ所示，该阀采用三级放大的位移一力反馈结构，主级采用５０通径二通插装阀，先导级采用由高响应的比例电磁铁驱动的三位四通换向阀，先导阀芯通过反馈弹簧作用在一个伺服活塞杆上， 活塞杆的另一端作用在主阀芯上。此外在先导回路上集成了一只换向阀，起安全保护作用。工图２―１比例节流阀液压原理图１）开启状态当两位四通换向阀使能后，两位四通换向阀处于截止位，比例电磁铁输入一 足够大的电信号时，首先先导阀芯在电磁力作用下迅速向下移动，使先导阀处于上位导通状态，Ｘ口的控制压力油经先导换向阀进入２腔，而１腔中的油液则经先导阀回到泄油ＥｌＹ。由于２腔压力增大，１腔压力减小，伺服活塞在油液压力作用下向上移动，压缩反馈弹簧，直到弹簧压缩产生的弹力与比例电磁铁的电磁力相９浙江大学硕士学位论文等时，先导阀芯在反馈弹簧的作用下回到中位。此时伺服活塞向上移动的位移与 弹簧的压缩变化量相等。由于伺服活塞向上移动，３腔到Ａ口的油路被打开，在固定液阻Ｒ的阻尼作用下，从Ｂ口进入３腔的油液流量小于从３腔流向Ａ／Ｄ的流量，３腔油压迅速降低，主阀芯在Ｂ口油压作用下向上移动，主阀芯打开。主阀芯向 上移动直到伺服活塞杆逐渐将ＡＨ与３腔的油路关闭。活塞杆将Ａ口与３腔关闭时 阀口实际上构成一个可变液阻置’，它与固定液阻Ｒ构成一个Ｂ型先导液桥【２３１，如 图２．２。当可变液阻月’变化到一个合适的值时．３腔的压力Ｐ３作用在主阀芯上的 力与压力油ＩＺＩＢ和工作油ＶＩＡ作用在阀芯上的力达到平衡。因此整个过程中主阀 芯的位置实际上是跟随伺服活塞杆移动的，而伺服活塞杆的位移又由比例电磁铁 的输出力决定，因此主阀芯的位移实际上也就是由比例电磁铁的电磁力决定的。图２－２主阀芯控制液桥示意图主阀芯如果采用直接由伺服活塞杆推动的方案，或是如图１．３所示Ｍｏｏｇ二通 伺服插装阀的主级由主阀芯上的环形作用面积推动，则由于主阀芯的质量较大， 要获得较高的动态响应性能，作用在主阀芯上的力要足够大。在控制压力一定的 条件先要增大控制力，则必须增加活塞面积或环形作用面积。由于主阀芯的运动 行程是一定的，增大活塞面积或环形作用面积的同时也就增大了控制腔的大小。 在先导阀流量一定的条件下，控制腔容积越大，则完成阶跃响应需要的时间越长。 本课题设计的大流量高响应比例节流阀巧妙的在主级应用一个Ｂ型液压半桥来 控制主阀芯，在先导液桥选取合适的参数后能达到较快的响应速度【２引。２）关闭状态在两位四通电磁换向阀使能后，比例电磁铁没有输入信号时，先导阀芯在反 馈弹簧作用下，处于下方位置。控制ＩＥＩＸ的压力油经先导阀进入到伺服活塞的无 秆腔１，伺服活塞的有秆腔２的压力油经先导阀流到泄油ＮＹ卸荷。伺服活塞在液 压力作用下处于下方的极限位置．活塞杆将主阀芯中３腔到Ａ口的油路关闭，ＢＩＥＩ 的压力油经过固定液阻Ｒ进入３腔。由于主阀芯上腔的压力增大，主阀关闭。也 就是说，在比例电磁铁没有无输入信号时，该阀处于关闭状态。１０浙江大学硕士学位论文３）失能状态当两位四通换向阀失电时，换向阀处于导通状态，此时从Ｘ口来的压力油经两位四通换向阀进入到在伺服活塞的无杆腔１，伺服活塞有杆腔２的油液经两位四 通换向阀流向泄油ＶＩｙ。由于两位四通换向阀的流量比先导级要大很多，此时三 位四通先导阀无论处于哪个状态，伺服活塞杆都会在油液的压力作用下被压在下方的极限位置。由于伺服活塞杆关闭了先导液桥的可变液阻Ｒ’，主阀芯在液压力的作用下也处于关闭状态。也就是说，在两位四通换向阀失电的时候，无论比 例电磁铁输入多大的指令信号，该阀都能可靠的关闭，起安全保护作用。２．３阀的结构设计根据图２．１所示的原理图，对阀的结构进行设计得到如图２―３所示的整体结构原理图。本节主要以从主级到先导级的顺序逐步对阀的结构进行设计和计算。拟达到的性能参数如下：通径：５０眦Ｉ；最高工作压力：３１．５ＭＰａ额定流量：１６００ Ｌ／ｍｉｎ（主阀口压差为５ｂａｒ） 动态性能：ｌＯ％～９０％额定流量之间的阶跃时间≤４０ｍｓ岁｝泄主Ｂ口图２．３阀的整体结构原理示意图淅扛丈学硕士学位论文２．３．１主级的设计根据标准“ＤＩＮ ＩＳ０７３６８．１９９４：液压传动一二通盖板式插装阀一插装孔”，５０通径的插装阀阀套的外径大小为６８ｍｍ，取阀套的厚度为６ｒｎｒｎ，则阀芯的外径为５６ｍｍ。由图２．３可知该阎是单向工作的，工作时油液由Ｂ口流向Ａ口的，要提 高阀的动态响应性能，Ｂ腔压力油作用在阀芯上的面积应该尽可能的大一些。而 为了使阀的流通能力更高一些，又需要Ａ腔的作用面积大一些。暂取阀座的直径 为４３．５ｍｍ，则Ａ腔的作用面积Ｂ腔的作用面积ｓ。：！垡塑～３．１４ｘ（５６２－４３．５２）９７６ｍ所２ｓ．：丝：型堕堂：１４８５ｍｍ：’‘４ ４ 。４（２，１）阀口流量压差公式：＾一＝一＝Ｙ，ｏｍｍ４（２．２） ＬＺ．二Ｊ以５ｂａｒ压差时流量为１６００Ｕｍｉｎ对主阀口的最大过流面积进行估算，则根据厂Ｑ－ｑ＿‘怙卸式中：Ｑ３’Ｑ一流量，ｍ３／ｓ； Ｃｄ一流量系数； Ａ一阀口通流面积，ｍ２： Ｐ一液体密度，ｔｅｅｍ３： ＡＰ一阀口前后的压差，Ｐａ：由于阀口采用的是薄刃锐边结构，阀口的液态流动状态大多为紊流工况，故 流量系数ｃｄ可以近似取常数。取流量系数０．６２，液体密度８７０ｋｇ／ｍ３，经计算得到 最大过流面积Ｓ＝１２７０ｍｍ２。以全周阀口形式进行计算，则满足最大过流面积时的阀芯位移至少应为￡：上：！婴：１１．６川ｍｙ／＂?Ｄ ３．１４×４３．５（２．４）根据压铸机的实际使用工艺要求，如图１－２所示，慢压射速度需要在０．１～Ｏ．８ｍ／ｓ的范围内调整，而最大工作压射速度达６ｍ／ｓ以上。为了提高压铸机在慢压 射阶段的速度控制精度，同时又能满足快压射时系统对流量的要求，因此在主级 的阀口采用前半段为三角型开口，后半段为全周开口的结构型式，如图２―４所示。】２浙扛大学硕士学位论文图２＿４阀芯阀套剖面图１―０形圈和挡圈２一主阀芯３一主阀套由于主阀芯阀口有一部分采用三角形窗口，损失了一些过流面积，因此需要 适当的增加主阀芯的行程以满足最大过流面积的要求。图２―５为三角窗口行程为８ｍｍ，阀芯总行程为１４．５ｍｍ时的主级阀口过流面积一阀芯位移曲线。由公式（２．３）可知，在阀口压差恒定时阀的流量与阀口过流面积成正比，因此阀的流 量增益也是如图２．４所示渐进式的：在小开度时流量增益较小，大开度时流量增 益较大，有效的兼顾了小流量时的调节精度和大流量时的流量调节范围的要求。１●００１２００ｎ１０００ｔＥ９００昏ｅｏｏ煺 期４００２０００Ｏ２４６８１０１２１４阔芯位移（ｍｍ） 图２．５主级过流面积一阀芯位移曲线２．３．２主级控制液桥的结构设计主级控制液桥的原理示意图如图２．２，要确定固定液阻和可变液阻的取值，１３浙江大学硕士学位论文必须分别考虑阀芯在关闭、打开和平衡工况时的情况。１）关闭工况要使阀芯关闭。阀芯上腔应为高压，即３腔的压力Ｐ３要高到足以克服Ａ、Ｂ 腔作用在阀芯上的力。这时需要可变液阻Ｒ’的过流面积相比固定液阻Ｒ足够小或 是可变液阻Ｒ’完全关闭。阀芯由１００％～０％做阶跃变化时，由于阀芯的运动控制腔３的容积变大，要保持控制腔压力不变，由Ｂ腔流向控制腔的油液的体积应等于控制腔３的容积变化量。而Ｂ腔流向控制腔的流量大小由固定阻尼Ｒ的大小决定（假设可变阻尼处于完全关闭状态）。根据阀芯的外径和行程可以计算得到控制腔的容积变化量△ｙ＝万．Ｄ．Ｌ＝３．１４×５６ｘ１４．５＝３５．７脚，（２．５）假设阀芯关闭时的阶跃响应时间为４０ｍｓ，则阶跃时需要的流量为Ｄ―ＡＶ―３５．７―ｘ６０：５３．６Ｌ／ｍｉｎ。。ｔ（２．６）１４０假设整个阶跃过程为匀加速过程，则由公式ｓ＝去口，２，代入数值ｓ＝０．０１４５ｍ，二ｔ－－０．０４ｓ，计算得到加速度ａ＝１８．１坍／ｓ２。在不考虑阀芯受到的稳态液动力、阻尼和摩擦等的影响下列阀芯在运动过程中的受力平衡方程可得：Ｂ?（ｓＡ＋ＳＢ）＋，’＝Ｂ?墨＋只?Ｅ＋肌?ａ式中：（２．７）只一控制腔压力： 只一Ａ腔压力； 弓一Ｂ腔压力； 只一Ａ腔作用面积； 品一Ｂ腔作用面积： Ｆ’一复位弹簧弹力；Ｉｎ一阀芯质量； ａ一阀芯加速度。 已知Ｂ腔压力为１４０ｂａｒ，Ａ腔压力Ｏｂａｒ，阀芯质量为１．１６ｋｇ，复位弹簧弹力忽略不计，则可以计算得到控制腔压力应该为５５．９ｂａｒ。由式（２．６）计算已知阶跃响应时通过固定阻尼Ｒ的流量要大于５３．６Ｌ／ｍｉｎ，因此由公式（２．３）可以计算得出固定阻尼Ｒ的过流面积应大于１０．３ｍｍ２。１４浙江大学硕士学位论文２）开启工况阀芯打开时，控制腔的压力相对较低，假设打开过程为匀加速过程，同样可 列出平衡方程：只?（邑＋Ｓａ）＋Ｆ‘＋埘?ａ＝弓。晶＋只。ＳＡ（２．８）代入相应的数值可计算得出控制腔压力应小于５５。２ｂａｒ。假设阀芯打开时的阶 跃响应时间是４０ｍｓ，则同样可知阶跃响应时实现控制腔容积变化３５．７ｍｌ需要通过 可变阻尼Ｒ’的流量要大于５３．６Ｌ／ｍｉｎ。由于此过程中Ｂ腔与控制腔３的压差为８４．８ｂａｒ，此时Ｂ腔通过固定阻尼Ｒ流向控制腔３的流量约为５３．６Ｌ／ｒａｉｎ，因此阀芯由Ｏ％～１００％阶跃时实际需要的通过可变阻尼Ｒ’的流量应为１０７．２Ｌ／ｒａｉｎ。由公式 （２．３）可以计算得知可变阻尼尺’的过流面积应大于２５．６ｒａｍ２。３）平衡工况当阀芯处于开启的某个平衡位置时，此时的阀芯受到的液压力是平衡的，且 通过固定液阻Ｒ流进控制腔３和通过可变液阻流出控制腔３的流量也是平衡的。由 受力平衡可以计算得出控制腔３的压力为５５．５ｂａｒ。由流量平衡可以计算得出此时可变阻尼震’的过流面积应等于固定阻尼Ｒ的过流面积的１．２３倍。以上计算由于忽略了液动力、阻尼等的影响，因此仅仅是一些设计估算，实际参数的选取可以以此为指导，最终尺寸还需要借助仿真手段进行优化。依据上述计算结果，阀口的详细结构如图２―６所示。固定阻尼孔采用两个直 径为２．８ｍｍ的短圆柱孔，在阀芯上呈对称布置，具有加工工艺好，控制特性不受油温和油液枯度变化的影响的特点。阀座采用１２０度的锥面，油液主要通过阀芯上侧面的４个圆孔流过，阀杆伸入阀芯中的长度约１０ｍｍ。该结构的特点是：阀杆 在开始阶段的移动对阀口过流面积的影响与圆形窗口的滑阀类似，在阀口开度到 一定大小后，由于流道中的短圆柱孔的限制。实际阀口过流面积达到饱和。根据 阀口的结构尺寸，经计算可得主级液桥的阀口过流面积与阀杆位移的关系曲线如图２―７所示。由图中曲线可以看出，活塞杆在开始的小段位移内，过流面积的变化比较缓慢，阀口流量增益较小；活塞杆位移在１～４．２ｍｍ范围内时，过流面积 近似成线性增大。活塞杆位移超过４．２ｍｍ时，过流面积达到最大值４４．２ｍｍ２。１５浙江大学硕士学位论文图２－６主级液桥浔口剖面圉 １一伺服活塞杆２一主阀芯 ∞柏ｔＶＥ一∞墨 兰灌 爿｛己伯０ Ｏ ２４６Ｂ１０１２１４活塞枰位移（ｍｍ）图２－７液桥阀口过流面积一活塞杆位移曲线图２．３．３放大级的设计放大级的结构图如图２．８所示，它实际上是一个伺服活塞。由于受比例电磁 铁的行程限制，先导阀的阀芯位移较小，先导阀通过控制伺服活塞的有杆腔和无 杆腔的压力来控制伺服活塞杆的位移，伺服活塞杆的位移经反馈弹簧与先导阀进 行耦合。这样比例电磁铁的电磁力就转换成伺服活塞杆的位移。伺服活塞的设计 中主要需要考虑的是确定合适的活塞直径使得先导级提供的流量能满足活塞杆１６浙江大学硕士学位论文快速阶跃时的流量要求。图２－８放大级结构图 １一反馈弹簧２一活塞套３一活塞杆４一活塞杆密封已知活塞杆行程１４．５ｍｍ，取活塞直径为１６ｍｍ，则无杆腔在阶跃时的容腔变 化大小为２．９ｅｒａ３，以阶跃响应时闻为４０ｍｓ进行计算，则先导级提供的流量应大于 ４．４Ｌ／ｒａｉｎ。实际上放大级的阶跃响应时间只占阀的整个阶跃响应时间的一段，因 此先导级需要提供的流量还应该比此计算值大一些。２。３．４先导级的设计先导级在结构上采用三位四通滑阀，其主要设计指标为阶跃响应时间和额定流量。滑阀的阶跃响应时间主要由比例电磁铁的性能决定【２５】１２６】。根据Ｍａｇｎｅｔ－Ｓｃｈｕｌｔｚ的比例电磁铁样本，选用该公司型号为ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１的比例电磁铁。该公司的ＧＲＦＹ系列比例电磁铁具有工作压力高（可达３５０ｂａｒ）、电磁力一位移线性度高、滞环小、响应时间短等特点。ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１的行程为２＋２ｍｍ（工作行程２ｍｍ，超行程２ｒａｍ），额定推力为５０Ｎ，线圈额定电阻为２４．６ ｏ，额 定工作电流为０．６８Ａ。要使得设计的三位四通滑阀阶跃响应快，选用的比例电磁 铁应该具有额定推力大，衔铁质量小，线圈电感小等特点１２７’２９】。通过比较可以发现，大规格的比例电磁铁虽然额定推力大，但其衔铁质量也大，线圈电感也显著 增加１３０ｊ，因此选择０３５比例电磁铁能获得更快的响应速度。图２．９为型号为ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１的比例电磁铁的输出力一阶跃响应曲线，由 图中曲线可以看出，对电磁铁输入不同大小的阶跃电流信号时，输出力达到最大 值的时间都是相同的，约需要５０ｍｓ。比例电磁铁在使用时，由于驱动比例电磁 铁的比例控制放大器一般都会采取一些快速驱动的手段，因此其实际阶跃响应时间要小于５０ｍｓ。图２．１０是采用ＤＥＨ的某种型号的比例控制放大器驱动１７浙江大学硕士学位论文ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１型比例电磁铁时测得的电流阶跃响应曲线，整个阶跃响应过程 只需约２５ｍｓ。 Ｆ＝ｆ｛ｌＩＰａｒａｍｅｔｅｒ∞ｌ（Ａ）Ｓｔｒｏｋｅ ３＝１ ｍｍＦＨ：Ｎ厂，一．≯，―一０，８＇５＾奉：３。。 一ｔｐＯ．６８Ａｌ，、／／Ｏ．５‘，５Ａ三ｄ２０薯吲－Ⅵ １Ｄ． 面ｒ感 ７■ 缎 毯 ｂｒ 魁十一一一｝ ．，’ 一一 ‘／ ，０．ｋ０ＢＡｏ－２７２Ａ强ｌ１ｎｎｊ ｊ２８ｊ｛…【。ｉ’去３ ．Ｏ ‘０５鹰］２－９电磁铁输出力阶跃响应曲线Ⅲｍ８ ｎ７ ０ ６Ｏ ５Ｏ ４（ｖｖ爆删ｎ３ ０２Ｏ １ Ｏ Ｏ Ｏ １０ ２０ ３０ ４０时间（ｍＳ）图２．１０比例电磁铁电流阶跃曲线由图２一ｌ可知先导级阀芯与伺服活塞杆通过反馈弹簧连接在一起，反馈弹簧１８浙江大学硕￡学位论文的预压力Ｆ’和弹簧刚度Ｋ是两个重要的参数。已知比例电磁铁的额定输出力Ｆ为 ５０Ｎ，伺服活塞杆的行程ｓ为１４．５ｍｍ，则在伺服活塞杆最大行程位置的平衡方程 为，：，．＋Ｋ．Ｓ（２．９）取Ｋ＝２．５Ｎ／ｍｍ，则Ｆ?＝１３．７５Ｎ。考虑弹簧安装尺寸等要求设计得到的弹簧实际参数如下：中径Ｄ２＝１２．４ｍｍ，钢丝直径ｄ＝１．６ｍｍ，旋绕１：１：Ｃ＝７．７５，自由高度Ｈ０＝４９，安装高度Ｈ１＝４２．７ｍｍ，工作高度１－１２＝２８．２ｍｍ，弹簧刚度Ｋ＝２．４Ｎ／ｒａｍ。 由于反馈弹簧的实际预压缩力为１５Ｎ，根据图２．１１可知，比例电磁铁的死区 电流大概约为０．３Ａ。Ｆ一“Ｉ’ 甜ｒｏｋｅ８篁１ ｍｍＪＧ一０．６８Ａ‰『ｌＪ＇，｝ｌ ｆＪｌ ｜ ｛，Ｊ，一矿彳一’÷图２．１１比例电磁铁在ｓ＝ｌｍｍ位置的输出力一电流曲线‘”ｌ由于控制一个伺服活塞需要两个控制口，因此先导阀必须是四通阀。滑阀按 其工作边数划分可以分为四边滑阀、双边滑阀和单边滑阀。四边滑阀具有四个可 控的节流口，控制性能最好，但缺点是结构工艺复杂，加工成本高。为了获得较 好的控制性能，决定采用四边滑阀结构。节流窗口选择两个直径为４ｍｍ的圆孔， 其结构简单，加工工艺性好。滑阀按其预开口型式又可划分为正开口、零开口和负开１：３－－－－种。零开口阀具有线性流量增益，性能比较好，应用晟广泛，但加工困难。正开口阀在开口区内 的流量增益变化大，压力灵敏度低，零位泄漏量大。负开口阀由于流量增益有死区，将引起稳态误差，因此很少采用【３２１。为了获得较好的控制性能，设计时选 择的是零开口结构。先导阀的结构剖面图如图２．１２。１９浙江大学硕士学位论文图２―１２先导滑阀剖面图 １一阀体２一先导阀套３一先导阀芯４一反馈弹簧座由ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１型比例电磁铁的位移～力特性曲线（如图２―１３）可知， 电磁铁的工作行程较小，且在工作程外其输出电磁力变化很大，因此设计时需要特别考虑滑阀的阀芯可移动范围。比例电磁铁的有效行程是２ｍｍ，但由于制造装 配误差的影响，推荐使用的行程范围为０．５～１．５ｍｍ。将阀芯的中位设计在比例电 磁铁的ｌｍｍ行程位置，这样，当比例电磁铁输入信号变化时，比例电磁铁的实际 位置偏离ｌｍｍ行程位置，但在阀芯反馈力的作用下，最终都将平衡在ｌｍｍ行程位置。同时为了防止比例阀芯被过度压缩以至于比例电磁铁落入超行程区域，而在此区域比例电磁铁的输出力大大减小，将可能导致比例电磁铁无法克服弹簧的预压缩力，造成无法推动阀芯。因此在结构上使用了一个弹簧座来进行机械限位， 使得先导阀芯向左侧运动时的最大位移只有ｌｍｍ。ＩＧ一０．６８Ａ 加孚ｌｊＪ ｌ ∞ 彳 叮 、ｆ ｌ Ｉ ｊ 一 ―产、＾ 孔 ￥ｌ 皇 ＝ｂ太＾、 ¨ ｌ｛、；、ｈ ｛ ｝ Ｘ１ 。ｆ 如 、ｔ―ｆ、｝、 Ｕ Ｉ Ｉ ｌ、 ｖＩ 神 －｛毛Ｉ、 Ｉ Ａ ＼∞ ｏ ０ ｉ １Ｉ、Ｌ、｝Ｉ Ｉ＼１卜、 ２喽 心： ）罄～３ ‘ｔ１３“―－１ｉ『｝图２．１３比例电磁铁的位移一力特性曲线…Ｉ浙江大学硕士学位论文２．３．４三维建模由于本课题研究的比例节流阀结构上比较复杂，使用传统的二维设计软件进 行设计存在不直观、设计修改困难、设计效率低等缺点。因此采用美国ＰＴＣ公司 开发的Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ软件进行阀的设计。该软件具有以下特点【３ ３】： １、全相关性：Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ的所有模块都是相关的。这就意味着在产品 开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，周时自动更新所有的工 程文档，包括装配体、工程图纸，以及制造数据。 ２、基于特征的参数化造型：Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素，这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何 属性），然后修改参数很容易的进行多次设计迭代，实现产品开发。３，装配管理：Ｐｍ／ＥＮＧ斟ＥＥＲ的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零｛牛装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 ４、易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的 最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容 易学习和使用。图２．１４婀的三维模型作者首先使用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ完成了阀的三维模型的设计，如图２．１４，然后２ｌ浙江大学硕士学位论文使用Ｐｒｏ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ的工程图模块将零件模型转化为工程图纸，作为加工的依据。图２―１５为工程图中的部分视图。图２―１５阀的结构剖面图 １一主阀套２一主阀芯３一复位弹簧４一二级阀芯５一盖板６一内阀套 ７一滑阀阀块ｓ一滑阀阀套９－－滑阀阀芯Ｉｏ一反馈弹簧１１一比例电磁铁 １２－先导阀过渡板１３一二位四通电磁阀２．４比例控制放大器比例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀或电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。在电液比例控制系统中，对比例控制放大器一般有以下要求： （１）良好的稳态控制特性；（２）动态响应快，频带宽：（３）功率放大级的功耗小：（４）抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性【１９１。 比例节流阀的性能通常是指它与比例控制放大器组成的系统工作时表现出的整体性能，因此比例控制放大器性能的好坏也直接影响到比例节流阀的性能。而不同的比例控制放大器的功率放大级对比例电磁铁线圈电流的驱动电路不同， 其驱动电磁铁线圈时的阶跃响应时间也不同。改善比例电磁铁感性负载电流动态２２浙江大学硕士学位论文响应的常用方法有电阻法、高低压驱动法、“二极管＋电阻”续流法、“二极管＋稳压管”续流法以及ＰＷＭ反接卸荷法等。其中，电阻法和高低压驱动法能有效的提高线圈的电流上升阶跃响应速度，而。二极管＋电阻”续流法、“二极管＋稳压管”续流法和ＰＷＭ反接卸荷法则对提高线圈电流下降阶跃响应速度比较有效【３４Ｊ。 本课题选用ＤＥＨ公司的一款比例控制放大器，为了明确该比例控制放大器对比例电磁铁阶跃响应速度的影响，需对该比例控制放大器的工作原理进行分析研 究。该放大器的线圈电流驱动电路如图２一１６所示，指令信号经过一阶惯性滤波电 路ｌ再输出到脉宽调制（ＰＷＭ）驱动电路，驱动电路的输出作用在比例电磁铁的 线圈上，也构成一个一阶惯性环节。线圈电流经采样电阻采样后再经过一阶惯性 滤波电路２反馈到指令信号的输入端。由于一阶惯性滤波电路ｌ的增益很大，ＰＷＭ 脉宽调制电路的载波信号幅值较小，因此其实际输入构成一个饱和环节。不考虑 载波信号的频率的影响，从ＰＷＭ电路的实际作用上可以将其简化成一个饱和放大环节。图２―１６比例控制放大器的线圈驱动电路应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立比例控制放大器的线圈驱动电路的仿真模型，根据 驱动电路的元件的实际参数计算得到其传递函数的参数。如图２．１７所示。在不同 输入指令信号下对其进行仿真，可以得到不同线圈电流下的阶跃响应曲线，如图 ２．１８。对比仿真结果和实测数据（图２―１０）可知，仿真曲线与实测结果十分吻合。 需特别说明的是图２―１６是简化后的驱动电路，该比例控制放大器实际上还具有零位调节、增益调节和颤振信号调节功能。颤振信号不但幅值可调，其颤振频浙江大学硕士学位论文率也可在８０～１２０Ｈｚ范围内调节，可以在不同工况下将阀的性能调节的最佳状 态。Ｈ㈨图２．１７电磁铁线圈电流阶跃响应仿真模型Ｏ．９ Ｏ．Ｂ ０．７ｉｏ ６灌Ｏ?５吾ｏ｜４签０＿３Ｏ．２ Ｏ．１ ０．０时间（ｍｓ）图２－１８电磁铁线圈电流阶跃响应仿真曲线２．５本章总结本章第一节首先简要介绍了一下节流阀的分类和常用的结构形式，然后根据该比例节流阀的实际应用场合的要求和需要达到的性能确定了阎的总体方案。 第二节中，根据阀的总体方案进一步确定了阀的液压原理图，并对其工作原理和特点进行了分析论述。 第三节中，根据阀的液压原理图进行了阀的结构设计和计算。采用从主级到先导级的顺序依次完成阀的各部分的详细设计，并使用ｐｒｏ，ＥＮＧ刑ＥＥＲ软件建立了阀的三维模型。第四节中，简要介绍了所采用的比例控制放大器的性能特点，并对其驱动比例电磁铁线圈电路的工作原理进行了分析。浙江大学硕士学位论文第三章数学建模和仿真分析３．１概述数学模型是用来表达一个系统或元件的各个状态变量、输入变量以及输出变量之间关系的数学表达式。通过建立数学模型，可以从理论上分析现存的系统或元件中存在的问题，揭示产生这些闷题的根本原因，从而进一步给出解决问题的 方案。同时，可以预测一个新设计的系统或元件的性能，研究系统中各种参数与 系统性能的关系，从而为系统的设计提供指导。建立数学模型的方法主要有两种， 第一种是通过对系统工作机理进行分析，利用现存的各种基础理论描述出各状态 变量之间的关系，这类模型可称为机理模型。第二种是通过分析系统的输入输出 数据，并假设其模型的结构形式，进而采用系统辨识的方法确定模型参数，采用这种方法得到的模型可称为经验模型ｐ”。随着计算机与信息科学的迅速发展，机械装备正向着赢精度、高效率、高可靠性、全自动实时控制方向发展，它们对电液比例元件和系统的稳态、动态性能 的要求也日益提高。为了加速开发和研究高性能的比例元件及系统的进程，不能 只等待费时费力的试验手段来验证液压元件和系统的设计效果，可以利用液压仿真软件来进行液压元件及系统精确的数值仿真研究，以达至Ⅱ优化结构参数设计， 缩短研究周期和试验时间，实现液压元件与控制系统质量的最优化的目的。 仿真就是利用计算机作为工具，把实际物理模型系统转换成“数学模型”在 计算机上运行的过程。对实际系统或瓤设计系统的仿真研究，一般由以下过程组成【３８Ｈ４１ｌ：（１）建立描述系统的数学模型； （２）通过建模，把数学模型变成能够在计算机上运行的仿真模型：（３）在计算机上运行仿真程序对仿真模型进行仿真； （４）记录并分析仿真结果，为进一步的研究提供可靠的数据。在开发比例控制元器件或电液控制系统时，往往需要对液压元件或系统的稳 态、动态特性进行仿真研究。通过仿真研究可以锝到比例元件或系统的控制特性。仿真是研究提高比例元件或系统控制特性的途径之一，已经成为研究和设计比例元件及系统的一个重要环节。 目前国内外著名的液压仿真软件主要有ＭＡＴＬＡＢ，ＭＳＣ．ＥＡＳＹ５，ＡＭＥＳｉｍ， ＤＳＨ以及ＤＳＨｐｌｕｓ等，在综合比较下作者选择ＡＭＥＳｉｍ作为仿真平台，主要原因如下【４２“】： （１）ＡＭＥＳｉｍ提供了丰富的模型库，用户可以采用基本元素法，按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型，而不需要去推导复杂的数学模型，这使得研究人员可以将更多的精力投入到物理模型的研究中去。浙江大学硕士学位论文（２）ＡＭＥＳｉｍ采用的是复合接口，即一个结构传递多个变量，这样简化了模型规模，使得不同领域模块之问的物理量连接成为可能。 （３）采用变步长、变阶数、鲁棒性强的智能求解器，根据给定系统从１７ 种数字积分方法中选择最有效的计算方法。同时具有稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等多种仿真运行方式，可得到精度和稳定性更好的仿真结果。（４）提供了线性化分析工具、模态分析工具、频谱分析工具以及模型简化 工具。便于使用者对所建模型进行分析、修改、简化。（５）内置与Ｃ（或ＦＯＲＴＲＡＮ）和其他系统仿真软件（ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ， Ａｄａｍｓ等）的接口，用户可以在ＡＭＥＳｉｍ环境中访问任何Ｃ或ＦＯＲＴＲＡＮ程序，控制器设计特征、优化工具及能谱分析等工具。本课题仿真要实现的主要目的有：１．通过建立数学模型和仿真实验，确定已有系统参数的调整范围，从而缩短系统的调试时间，提高效率； ２．在设计阶段，预测系统及构成元件的工作性能，对系统或元件各参数进 行优化； ３．在设计阶段，判定系统是否能满足应用的要求。３．２数学建模和仿真分析由于整个阀的结构较复杂，其数学模型和仿真模型的建立较困难，且不便于 分析和验证模型的正确性。因此根据阀的结构组成，有机的将阀按先导级、放大级和主级三个功能模块进行分别建模和仿真，然后再将三个功能模块组合在一起进行阀的整体性能的仿真，并对某些参数进行匹配优化。３．２．１先导级的建模与仿真先导级的物理模型示意图如图３．１所示，其结构实际上是由～个比例电磁铁 和一个四边滑阀组成。图３－１先导级物理模型示意图浙江大学硕士学位论文阀芯的力平衡方程为：式中参数：且＝∥嵋。ｊ箍 中％２。端毋＝ｑ?形?Ｌ．、／―２ｐ（Ｐｌ―－Ｐ２）Ｘ，＝Ｏ．４３ｗ（ｐ，一岛）。Ｆｉ＝ｍ面ｄ２ｘＦ＂＋（Ｅ＋毋）鲁＋ｏ?‘＋忍（３，１）（３．２）（３．３） （３，４） （３．５）吒＝ｔ（‘＋而） 式中：Ｆ一电磁铁输出力； ｍ一阀芯、阀腔油液、弹簧座以及弹簧等效质量毛一阀Ｉ：１开口量： ％一复位弹簧预压缩量；玩一阀芯与阀套间粘性摩擦系数；易一瞬态液动力阻尼刚度； 虬一稳态液动力刚度； 最一负载力；Ⅳ一油液的动力粘度；‘一阀芯凸肩半径；吒一阀套孔半径； Ｇ一节流口流量系数；ｐ一油液密度：２７浙江大学硕士学位论文Ａ、ｐ２一进出油口压力；七一弹簧刚度。比例电磁铁ＧＲＦＹ０３５Ｆ２０８０１的输出力一电流特性曲线如图２．１ｌ，由该图可知比例电磁铁的输出力与线圈电流基本成线性关系。但由于最终系统的响应是关 于比例控制放大器的指令信号的函数，因此需要将比例控制放大器的影响考虑进去。由图２．１７可知，由于比例控制放大器中含有非线性的饱和环节，因此无法 得出其传递函数。因此将这部分的影响放在仿真中进行分析。应用ＡＭＥＳｉｍ软件建立先导级的仿真模型，如图３．２，仿真模型考虑了油液 的可压缩性、液动力、摩擦等的影响。其中四边滑阀由ＨＣＤ元件库搭建而成，比例电磁铁选用ＥＭＬＴ３１模型，其特性参数根据比例电磁铁的样本参数选取。图３－２先导级仿真模型对先导级在输入Ｏ～１００％阶跃信号时进行仿真，仿真结果如图３－３所示。仿 真结果表明，虽然线圈的电流阶跃响应在２５ｍｓ才稳定，但是阀芯的位移在ｌＯｍｓ 内就已经到达１００％位置，且由于机械限位的作用，阀芯到达１００％位置后没有 振荡。在实际系统中，由于存在放大级的反馈，阀芯在阶跃到最大位移位置后， 还会在反馈弹簧的作用下回到中位，这部分的影响将在后面进行分析。为了验证仿真模型的正确性，用传感器对实际使用的比例电磁铁的阶跃响应性能进行了测试。测试系统示意图如图３．４，比例电磁铁推动一个导杆，导杆另一端安装一个ＬＶＤＴ位移传感器，导杆和位移传感器的磁芯的总重与先导级使用的滑阀阀芯的重量基本相同，反馈弹簧与先导级中使用的参数完全一致，弹簧的 预压缩量和导杆行程限位也与实际使用的先导级一致。使用ＤＥＨ的比例控制放 大器来驱动比例电磁铁，实际测得的比例电磁铁衔铁位移对比例控制放大器阶跃信号的响应曲线如图３―５。实际测试数据中电流上升阶跃时间与仿真结果基本相浙江大学硕上学位论文近，但衔铁位移阶跃响应时间比仿真结果要长７ｍｓ左右，其原因可能是仿真中没有考虑摩擦等的影响。此外，实测数据中线圈电流阶跃和衔铁位移阶跃中间部分有一个正弦振荡，这是由比例控制放大嚣中的颤振信号引起的。＇ＯＤ ：：５０ｔ，、／Ｖ一¨“ｒＩ。ｌ二篓嚣＾《一糕蔷豳簧－ｎ／ ７ ｆ 』 』Ｊ２０ ４０＾孚ｖ搪趔挣墓；暑ｏ弓ＯＳＯ＇ｌＩ×，Ｉ 黼ｌ１时同（幅）图３－３阀芯阶跃响应曲线］．１劢ＨＩ≥＞＜≤Ｉｒ■ＵＶＷＶＮＶ纠Ｖ卜。长－ｔ／／ 蕊陵ｆ￡厶，？月―一ｌ一图３．４比例电磁铁阶跃响应试验装置示意图 卜一比例电磁铁２一安装体３一连接导杆４一弹簧５－－ＬＶＤＴ位移传感器浙江大学硕士学位论文ｚ●２Ｊ口ｏ煺 删《埔舍 Ｓ０．４任浍 牮Ｏ＿０２。，‘Ｏ．Ｏ０１０２０３０４０时问（ｍｓ）图３－５比例电磁铁阶跃响应曲线文献［２５１对四边滑阀的研究表明，阀的预开口型式对其性能尤其零位附近 （零区）特性有很大的影响：零遮盖阀具有线性流量增益，遮盖阀的流量增益存在死区，负遮盖阀的流量增益在零区变化较大，压力灵敏度低。使用ＡＭＥＳｉｍ 对所建立的先导级仿真模型进行阀的流量增益仿真，分别对阀口为负遮盖、零遮 盖和正遮盖三种情况进行仿真，得到滑阀的流量增益曲线如图３－６所示。从仿真 结果可以看出，正遮盖的阀口流量增益在零区附近存在死区，零遮盖的阀口流量 增益在零区附近存在非线性，而负遮盖的阀口流量增益在零区附近基本成线性。 造成这种结果的原因主要在于滑阀的阀口形式为圆孔，其过流面积增益在零区附 近非线性较大，使用负遮盖结构可以减小其影响，从而使得阀口流量增益在零区 附近基本成线性。因此，对于窗口为圆孔的滑阀来说，要在零区附近获得线性的流量增益特性，应该采用负遮盖型式。浙江大学硕士学位论文１ ００５０＾零一０苍 濯．５０．１００ 一１００ ?５０ ０５０ １００溷芯但移（％）图３－６滑阀流量增益曲线３．２．２放大级的建模与仿真放大级结构相对比较简单，可以将它看成是一个一端带复位弹簧的单作用活塞缸，其简化的物理模型如图３―７。×Ｖ不考虑油液压缩性时，活塞的力平衡方程为：∽詈．。务哥詈．ｃ骞母肿争＋最铷 （卜詈。（器）２）哥詈’（狰２母肿争＋最鲁＋五＠ｓ， 。．６’３ｌ浙江丈学硕上学位论文式中：Ｅ＝屯（‘＋而） ｍ一活塞以及弹簧等效质量： 瓦一活塞位移； ％一复位弹簧预压缩量； 鼠一阀芯与阀套间粘性摩擦系数： 五一负载力； ｃｄ一闺口流量系数； ４一节流口过流面积； ｐ―有杆腔、无杆腔的初始容积； ｔ一弹簧刚度；（３．７）Ｓ１、Ｓ广有杆腔、无杆腔的作用面积：在ＡＭＥＳｉｍ中建立放大级的仿真模型，如图３．８。使用ＡＭＥＳｉｍ的批处理仿真模块，对不同节流孔过流面积下活塞响应速度进行仿真，分析节流孔过流面积大小对活塞响应速度的影响。图３－８放大级仿真模型仿真结果如图３－９，由仿真曲线可以看出活塞的阶跃响应时间与节流口过流面积的大小成反比例，但当过流面积大于４ｒａｍｚ后增大过流面积对减小阶跃响应时间的作用越来越不明显。由于仿真是在节流口过流面积一直保持恒定是的计算 结果，实际工况中节流口的过流面积大小是随阀芯位移增大而减小的，因此实际 的阶跃时间需要更长。３２浙江大学硕士学位论文＇８＇２＾、，ｌ８渔 划●Ｏ８１２１６时间（ｍｓ）图３－９不同流量下活塞的阶跃响应仿真曲线放大级受主级的控制，两者配合起来要达到一个好的性能，需要对参数进行 匹配。使用ＡＭＥＳｉｍ里将图３．２和图３．８的模型按实际的物理意义连接在一起，得到先导级和放大级的联合仿真模型，如图３一ｌＯ所示。口图３．１０先导级和放大级的联合仿真模型在先导级的阀１３遮盖量取不同的数值时进行仿真，得到的仿真曲线如图３―１１ 和图３．１２。由图中仿真曲线可以看出，阀口正遮盖时，先导阀芯振荡幅度较大， 且存在稳态误差；阀口零遮盖时，先导阀芯能迅速稳定，伺服活塞杆也能迅速稳定；阀口负遮盖时，先导级和放大级达到稳定状态的时间零遮盖时快。３３浙江大学硕士学位论文＾、，ｌ搀 捌时闻（ｍｅ） 图３―１ｌ先导阀芯的阶跃响应仿真曲线（指令信号在０ｒ璐时阶跃）仆 ¨任”、，ｌ８饕 剧ｅ４２ｏ ４０６０８，０ｔ００时间（ｍＢ） 图３一１２伺服活塞的阶跃响应仿真曲线（指令信号在ｏｌ】Ｂ对阶跃）３．２．３主级的建模与仿真主级是一个由Ｂ型液压半桥控制的阀芯和阀套组成的，如图３―１３。液桥的 可变液阻Ｒ’的过流面积ＡＲ．是关于阀芯位置的函数，主级的过流面积也是关于阀芯位置的函数。浙江大学硕上学位论文×ｖ图３－１３主级物理模型对主阀芯进行受力分析可以碍到主阀芯的力平衡方程组［４５－５１１：只．Ｅ＋晶．％＝足．（ｓＡ＋＆）＋肌．ｊｄ２Ｆｘｖ＋Ｅ．鲁＋与?（而＋‘）＋乃（３．８）盼ｑ呜√等绋：Ｃｄ－ＡＲ．２（Ｐｎ－Ｐｃ．）．Ｖ Ｐ＠”（３．１０）蜴＋‘?（邑＋晶）＝ＯＲ．式中：（３．１１）ｔ＇ｎ一阀芯、闽腔油液以及弹簧等效质量；氖一阀口开口量； 而一复位弹簧预压缩量； 鼠一阀芯与阀套间粘性摩擦系数：‘一稳态液动力；ｑ一节流口流量系数： ４、ＡＲ，一固定阻尼和可变阻尼的阀口过流面积。 Ｇ、ｇ．一通过固定阻尼和可变阻尼阀口的流量：３５浙江大学硕士学位论文Ｐ一油液密度； ＰＡ、Ｐ卧Ｐｃ―Ａ口、Ｂ口和Ｃ腔压力； ＳＡ、ＳＢ～Ａ口和Ｂ口油液在阀芯上的作用面积； ｔ一弹簧刚度。 使用ＡＭＥＳｉｍ建立阔的主级的仿真模型，如图３．１４所示。其中，由于主阀 口是三角窗和全周开口复合型的型式，在ＡＭＥＳｉｍ的ＨＣＤ模型库中没有物理结构对应的子模型，因此选用ＢＡ０２２子模型。该子模型允许用户使用自定义函数或查表的方法来定义阀口过流面积与阀芯位移的关系。根据图２．５主级阀口过流面积与阀芯位移的关系曲线图使用Ｍａｔａｌａｂ进行拟合，得到拟合关系式 Ｓ＝－０．０４６ｘ４＋１．１，一Ｏ．３ｘ２＋８．５ｘ一０．８８（ｒａｍ２）。液桥可变液阻的阀口则采用可变 阻尼孔ＶＯＲ００子模型，用查表法得到阀口的过流面积与阀芯位移的对应关系。在液桥可变液阻Ｒ’最大过流面积按设计值取４５ｍｍ２时，对可变液阻尺’的过 流面积取不同的值，使用ＡＭＥＳｉｍ进行仿真得到阀芯的阶跃响应曲线如图３．１４ 所示。仿真结果表明，固定液阻Ｒ的过流面积越大时，阀芯的阶跃响应速度越慢。从图中曲线可以看出，固定液阻Ｒ的过流面积为３ｍｍ２、６ｍｍ２和１２ｒｎｍ２时的阀芯阶跃响应速度十分相近，可以近似的认为固定液阻Ｒ的过流面积小于１２ｍｌｉｌ２时阀芯的阶跃响时间相等。而当固定液阻Ｒ的过流面积大于２４ｍｍ．２时，阶 跃响应时间明显增长，且固定液阻Ｒ的过流面积过大时，会造成主阀芯无法运 动。④ （争－一豫，一图３一１４主级仿真模型浙虹大学硕士学位论文¨ 镗 仲２ ５８鏊６４２Ｏ口 ５ １口 １５ ＺＯ时问（ｍＳ）图３．１５固定液阻取不同值时阀芯的开启阶跃响应曲线（指令信号在Ｓｍｓ时阶跃）在固定液阻Ｒ过流面积取］２ｍｍ２时，对可变液阻胄’最大过流面积取不同的值进行仿真，得到阀芯的阶跃响应曲线如图３一１６所示。从图中曲线可以看出，可交液阻Ｒ’最大过流面积越大时，阀芯的阶跃响应时间越短。可变液阻霆’最大 过流面积大于４５ｎ功２时可以近似地认为其阶跃响应时间相同；可变液阻月’最大过流面积小于２４ ｎｌｌｎ２时，阀芯的阶跃响应时间显著增长，且可变液阻Ｒ‘最大过 流面积过小时会导致主阀芯无法动作。１４１２１０＾ Ｖ 蹬ａＥ Ｅ２Ｏ ０ ５ １０ １５ ２０吲司（ｍｓ）图３．１６可变液阻取不同值时阀芯的开启阶跃响应曲线（指令信号在５ｍｓ时阶跃）阀芯对阶跃关闭信号响应时，可变液阻尺’在整个过程中处于完全关闭状态浙江大学硕士学位论文因此其阶跃响应时间仅与固定液阻Ｒ过流面积大小有关。对固定液阻Ｒ取不同过流面积值进行仿真，得到阀芯的关闭阶跃响应曲线如图３．１７所示。从图中可以看出其关闭阶跃响应时间与固定液阻Ｒ的过流面积近似成反比例关系。１‘１２０２５Ｂ验６４２Ｏ Ｏ ５ １０ １５ ２０时间（ｍｓ）图３．１７固定液阻取不同值时阀芯的关闭阶跃响应曲线（指令信号在５ｍｓ时阶跃）将液桥液阻取不同的值时对应的阀芯阶跃响应时间以及维持液桥工作需要 的流量的仿真结果整理得到表３．１。从表中数据比较可以看出，序号８和９的组合都能获得较好的综合性能，本阀设计中选择的是序号８的组合：固定液阻Ｒ 过流面积为１２ｒｍｎ２，可变液阻Ｒ－的最大过流面积为４５ｒａｍ２。表３－１液桥液阻匹配仿真数据 序 号ｌ ２固定液阻过流 面积ｌｎｌｎ２３可变液阻过 流面积ＩＴｌｌｍ２２４ ４５ ９０ ２４ ４５ ９０开启阶跃 时间ｍｓ４ ２．３ １．７关闭阶跃 时间ｍｓ１９ １９ １９液桥流量Ｌ／ｍｉｎ１３．７ １４ １４．３ ２８ ２８ ２８．５ ５５ ５６主级流量Ｌ／ｍｉｎ ６８００３３ ６ ６ ６ １２ １２ １２７０９０７４１０ ６３００３４ ５ ６ ７ ８ ９５ ２．７１．４ ７ ３ １．３１２１２ １２６８００７１００ ５３００ ６３１０ ６８３０２４４５ ９０８８ ８Ｓ”浙江大学硕士学位论文１０２４ ２４ ２４２４ ４５ ９０ ４．７ １．３６．５ ６．５ ６．５９５ １１０ １１３Ｏ ５３２０ ６３００Ｉ Ｉ１１ １２３．２．４阀的整体仿真将先导级、放大级和主级的仿真模型按实际物理关系连接在一起，得到阀的 整体仿真模型，如图３．１８所示。先导阀设为零开口，固定液阻过流面积取１２ｍｍ２， 可变液阻的最大过流面积取４５ｍｍ２，对阀的整体模型输入阶跃信号进行仿真，分别绘出先导级阀芯位移阶跃响应曲线、放大级活塞杆位移阶跃响应曲线和主级 阀口流量阶跃响应曲线，如图３―１９，３－２０和３－２１。图３．１８阀的整体仿真模型…。。』…………宅占搀封匿ｋ；…一。Ｉ￣｜…Ｉ一。。｜｜……Ｏ１００２００３００４００，５００时阐Ｃｍｓ） 图３一１９先导级阀芯位移阶跃曲线（指令信号在ｌＯＯｍｓ时阶跃）从图３一１９中可以看出，先导级的阀芯阶跃过程存在较大的超调，但是能在较短的时间内稳定。与图３．１１的仿真结果比较，阀芯在零遮盖情况下也能稳定， 造成这种差异的原因主要是仿真模型３．１０没有考虑伺服活塞杆构成主级先导液 桥阀口时受到的稳态液动力的影响。稳态液动力的方向总是使阀１：３趋于关闭，对浙江大学硕士学位论文伺服活塞杆而言实际上相当于一个负反馈。在阀口液动力的作用下，伺服活塞杆在很短的时间内达到稳定状态，如图３－２０，因此不再对先导级产生扰动，先导级也在其阀口液动力、摩擦、阻尼的衰减作用下达到稳定状态。他 ¨住兰Ｅ仆８８耄耀毒 ２ｏ Ｏ １００ ２００３∞４００时俩（ｍｓ） 图３．２０放大级活塞杆位移阶跃曲线（指令信号在ｌＯＯｍｓ时阶跃）从图３．２１可以看出，主级阀口流量在阶跃指令发出４ｌｍｓ后达到最大流量６８００Ｕｍｉｎ（阶跃信号在ｌＯＯｍｓ时刻发出），阀口流量的上升时间约３０ｍｓ。阀芯阶跃过程中的前１０ｍｓ的延时主要是先导级和放大级产生的。主级阀口流量在压 差为８０ｂａｒ时达６８００Ｌ／ｍｉｎ，按公式（２．３）进行近似换算可以得到主级阀口流量 在压差为５ｂａｒ时的等效流量为１７００Ｌ／ｍｉｎ。仿真结果表明。该阀的设计能达到设 计要求的性能指标。ⅢＯⅢ２Ｖ０啪Ｏ雪ｍＯ囊ｉ暑 Ｏ｛毛 ＯⅢＯ０２００３∞时俩（ｆｉｔｓ） 图３－２１主级阀口流量阶跃曲线（Ａｐ＝８０ｂａｒ）（指令信号在ｌＯＯｍｓ时阶跃）浙江大学硕士学位论文３．３本章小结本章首先介绍了建立液压系统或元件数学模型的方法和意义，接着介绍了本文所采用的仿真软件ＡＭＥＳｉｍ的特点以及仿真所要达到的目的。第二节中采用由简入繁的方法，将本文所设计的阀拆分成先导级、放大级和 主级三个部分进行数学建模和仿真建模。在逐级分析和验证仿真模型的正确性 后，按各级模型按其实际连接方式组合在一起进行整体仿真，并对各级模型的参数进行了分析匹配。４１浙江大学硕士学位论文第四章试验方案的设计和试验结果４．１概述在工程应用上，比例节流阀的基本外特性主要有四项，即稳态控制特性、稳 态负载特性（通常用等位移特性表征）、阶跃响应特性以及频率响应特性【”１。４．１．１稳态控制特性比例节流阀的稳态控制特性的测试方法是在一定的运行参数下，由信号发生器控制输入一个三角波电压信号，从零至额定值之间，以测试仪器系统的动态性能不对测试结果产生影响的速度（通常小于Ｏ．０５Ｈｚ），绘制一个完整循环扫描所 得到的输出流量与输入指令信号之间的连续曲线，称之为稳态控制特性曲线（流量一输入信号曲线）。从流量．输入信号曲线中，可以求得的主要特征指标有：（１）额定流量：指在额定阀压降下相对于额定控制输入电信号时阀的输出流量。（２）滞环Ｈｘ：滞环指标反映被试液压元件内存在的磁滞、运动时的摩擦、 弹性元件的弹性滞环等因素对元件的稳态控制特性的影响程度。通常定义为：在 稳态控制特性曲线上，对应于各相同输出量的正反行程的控制输入电信号之差的最大值对于额定输入信号之比，以百分率计。（３）重复精度Ｒｘ：通常定义为在辅助和油温不变的条件下，连续三次作相 同方向重复扫描所得的特性曲线之间，在相同输出量所对应的各控制信号值中取 其最大误差，该误差值对于额定电信号之比即为反映重复精度的偏差，以百分率计。４．１．２稳态负载特性稳态负载特性是在某一设定的控制输入量时，其相应控制输出量的稳态抗负载干扰性能。对于节流阀来说，由于节流阀的控制输出量实际上是阀芯位移，因此其稳态负载特性就是其阀芯位移相对于负载输入量变化的相对变化率，也称为等位移特性。４．１．３阶跃响应特性比例节流阀的动态特性，无论是用时域特性还是用频域特性来描述，都是包 含比例控制放大器、电一机械转换器及相关的管道容腔在内的比例节流阀控制系 统的综合特性。由于控制放大器及常规比例电磁铁感性阻抗一阶环节的响应特性不可忽略，因此动态测试中把比例控制放大器的控制输入电压信号作为输入信号，而不是取线圈电流信号。比例节流阀的阶跃响应特性包括输入电压信号阶跃响应及负载干扰信号阶跃响应特性。４２浙江大学硕士学位论文（１）输入电信号阶跃响应特性：比例节流阀的输入电信号阶跃响应特性是 在系统的运行参数不变的条件下，阀芯位移相对于一定幅值的控制输入电信号阶 跃变化时的过渡过程响应特性。 （２）负载干扰信号阶跃响应特性：该特性是在控制输入信号为某一调定值 时，被控制输出量相对于一个定幅值的负载干扰信号阶跃变化时的瞬态响应特 性。 （３）阶跃响应特性用以考核比例节流阀的时域特性，主要特性指标有： 乱延迟时间ｔｄ：输入阶跃发生时刻至控制输出量响应，到达稳态值５％ 时所需的时间。 ｂ．上升时间扛：控制输出量响应从稳态值的５％到９５％所需要的时间。 ｃ．峰值时间ｔＤ：输入阶跃变化时刻至控制输出量达到最大峰值的时间。 ｄ．响应时间ｔｚ：输入阶跃发生时刻至控制输出量第一次达到并保持其 相对误差在稳定值±５％范围内所需要的时间。 ｅ．最大超调量Ｍｐ：指控制输出量最大瞬时峰值Ｙ（ｔｐ）与稳态终值Ｙ （ｃｏ）之差相对于Ｙ（一）之比。以百分率计。４．１．３频率响应特性比例节流阀的动态特性，除了用上述的时域特性来考核外，还可用频域特性 来评价。通常采用伯德图来描述其频率响应特性，以幅频宽和项频宽来评价性能 的高低。４．２试验台液压原理图由于时间有限，要进行比例节流阀的所有的基本外特性的性能测试，实现难度太大。考虑到该阀实际使用时对阶跃响应速度和流量的特殊要求，本文只对该 阀的阶跃响应性能和所能达到的最大流量进行测试。 由于该阀大流量、高响应的特殊性，在试验方法上必须采取一些不同于普通 阀的措施。该阀的设计理论额定流量为１６００Ｌ／ｍｉｎ（额定压差为５ｂａｒ），在１４０ｂａｒ 的工作压力下，其理论流量达８０００Ｌ／ｍｉｎ。由于试验条件的限制．要提供这么大 的稳定流量的油源，几乎不可能实现，因此必须采用其他思路。 虽然无法提供稳态的大流量，但该阀的响应快，因此可以在被试阀的Ｐ口安 装蓄能器，提供短时间的大流量。但这样带来的另一个问题是普通的流量计受其 结构原理的限制响应频率太低，无法用于测量通过阔的瞬态流量。瞬态流量的测 量，～般只能通过测量位移、热交换信息、流速、压差等信息间接的测量［５３－５６ｌ。 根据所测流体参数的不同，概括起来，瞬态流量的测量方法可分为三大类，即通 过测量流体体积、流速、压差三个参数来测量瞬态流量。如用齿轮流量计改装的 瞬态流量计、热膜流量计、超声波流量计等，但目前这些产品的频响都比较低，淅江大学硕上学位论文一般只有几赫兹，不能满足使用的要求。利用压差测量的有管孔节流压差式流量 计，但其数据受流体本身性质影响较大，且数据处理复杂，很难应用。 本文使用伺服阀测试中使用较多的一种瞬态流量的测量方法一无载液压缸法：通过测量无载液压缸的速度来间接测量阀的瞬态流量。当无载液压缸的固有频率远远高于被试阀的固有频率（一般１０倍以上）时，可以近似的忽略液压缸频响的影响ｍＪ。图４．１比例节流阎试验台原理图 ｌ一单向阀２．压力传感器３．储能器４．换向阀５．压力传感器 ６－单向阀７一伺服油缸８．位移传感器９―插装式换向阀整个试验回路的系统原理图如图４．１所示。试验前，电磁铁都失电，主泵的液压油经过单向阀１进入到蓄能器３，在蓄能器３的压力达到预设值以后，多余的流量从溢流阀溢流。试验时，电磁铁ＹＡ４得电，使被试阀处于使能状态，电磁铁ＹＡ３也得电，提前打开插装式单向阀９。通过给被试阀的比例控制放大器输入一个输入信号，使被试阀打开。蓄能器中的油液迅速经过被试阀进入伺服油缸７的无杆腔，活塞杆的位移由安装在油缸里的移传感器８测得，信号被工控机的 “浙江大学硕士学位论文模拟量采集卡采集，在工控机上对活塞杆的位移进行微分计算，得到活塞的运动速度．经换算即可得到某一时刻阀的流量。测试完成后，电磁铁ＹＡ３、ＹＡ４失 电，ＹＡＩ得电，三位四通换向阀处于右位，主泵的油液经过换向阀４流经单向阀６再进入到伺服油缸７的有杆腔，推动油缸复位。当活塞杆完全复位以后，电磁 铁ＹＡＩ失电，主泵向蓄能器供油，为下一次试验准备。４．３主要元件选型和计算确定试验台的原理图后，还需根据需要测量的实际参数进一步选择合适的元件，才能达到使用要求。４．３．１油缸参数选择阀的理论额定流量是１６００１－／ｍｉｎ（压差为５ｂａｒ时），在Ｂ口压力为１４０ｂａｒ条件下，不考虑管道即其他压力损失，则理论的最大流量为８０００Ｌ／ｍｉｎ。现选用 油缸参数为缸径１２０ｒａｍ，杆径８５ｍｍ，行程６００ｒａｍ，额定压力为２５ＭＰａ，则油 缸的最大运动速度经计算约１１．８ｍ／ｓ。被试阀的整个阶跃过程按４０ｎｉｓ计算，则在阶跃过程中活塞杆的运动位移为４７２ｍｍ，因此所选的油缸基本能满足测试的要 求。无载液压缸的固有频率％的计算公式为饥＝ 式中：Ａ一无载液压缸活塞的有效面积：（４．１）Ｅ一油液的弹性模量； ｖ。一管道及液压缸的可压缩体积； ｍ一液压缸活塞及运动部件的质量。 代入已知的设计数据，经计算可知该无载油缸的固有频率约９．８ｋＨｚ，完全能满足阀的动态流量的测量要求。 此外由于活塞杆高速运动到最大行程位置时，速度被迫减为零，为了减小活塞秆的运动冲击，保护测试设备，在有杆腔末端特别设计了液压缓冲装置。４．３．２蓄能器选型蓄能器在此主要起提供瞬间大流量的作用，因此在选型上主要需要确定的参 数有工作压力、容积和最大流量。由于系统需要在很短的时间内提供６．８升（由 油缸缸径和行程计算得到）的液压油，因此该过程气体的状态变化可示为绝热变化过程，其理想气体状态方程多变指数为１．４。假设： 最高工作压力Ｐｚ＝１５０ｂａｒ； 最低工作压力Ｐｌ－ｌ ｌｏｂａｒ：４５浙江大学硕士学位论文有效容量ＡＶ－－６．８Ｌ；最高工作温度‰＝４５℃；最低工作温度‰＝２５℃。则在ｈ。时的预充压力：弓。＝０．９ｘ片＝Ｏ．９ｘ１１０＝９９ｂａｒ（４．２）在‰时的预充压力：晶。＝毋一。，ｔ―ｕ＋＋２２７７３３＝９９。磊２５而＋２７３＝９２．８栅需要的气体的容积：Ｖ＝（４．３）垒！＝鱼：！ｃ≯“哼７一静７１４一ｃ羚７¨９００Ｌ／ｍｉｎ。＝３８．６三（４．４）因此选用两个ＨＹＤＡＣ公司生产的容积为２０Ｌ的皮囊式蓄能器，型号为ＳＢ３３０．２０ＡＩ／１１２Ｓ一２１０Ｃ。该蓄能器最大工作压力可到３３０ｂａｒ，额定流量为４．３．３压力传感器选型为了获得试验时的压力参数，在被试阀的Ｂ口、Ａ口以及无载油缸的有杆 腔端各放置了一个压力传感器。压力传感器选用瑞士Ｂａｒｋｓｄａｌｅ公司的ＵＰＡ２系列的产品，型号为ＵＰＡ２１ Ｐ／Ｎ０４３１．５０１。该压力传感器测量范围为０－４００ｂａｒ，输出信号为４－２０ｍＡ，线性误差小于±０．５％ＦＳ，重复精度小于±Ｏ．１％ＦＳ，信号输出延时小于１ｍｓ。４．３．４位移传感器选型为了测量油缸的运动速度，需要在油缸上安装适当的传感器。目前成熟的位移、线速度或加速度测量装置有电位器式位移传感器、直线同步感应器、磁尺传感器、磁致伸缩传感器、电涡流传感器、电容式速度传感器、压电式加速度传感 器等等１５甜。由于油缸行程较长，测试时对传感器的动态响应要求比较高，经综 合比较选用内置式的磁致伸缩位移传感器测量活塞杆的位移，再将位移信号进行 差分计算得到活塞扦的运动速度，磁致伸缩线性位移传感器是利用“磁致伸缩” 原理工作的。此技术由美国公司于１９７５年世界首创，现在已在国际范围内广泛的被应用在传感器技术之中，特别是用于要求测量精度高、使用环境较恶劣的位 移和液位测量系统中。它具有精度高、重复性好、稳定可靠、非接触式测量、寿 命长、安装方便、环境适应性强等特点。本试验台选用的是康宇测控有限公司的ＫＹＣＭ―Ｌ内置式磁致伸缩位移传感撷江大学硕士学位论文器，其有效行程为７００ｍｍ。该传感器输出信号为４－２０ｍＡ，其非线性误差小于± ０．０５％ＦＳ，重复性误差小于Ｏ．００２％ＦＳ，分辨率小于Ｏ．００２％ＦＳ，迟滞小于 ０．００２％ＦＳ，频率响应时间小于ｌｍｓ，能很好的满足测试的要求。４．４试验台测控系统的组成图４－２是该系统的组成框图，该系统主要由工业机、数据采集单元、输出控 制单元、传感器和比例阔测试试验台等组成。工控机是整个测试系统的主控机， 它通过人机界面接收用户指令，并根据试验内容选择相应的程序进行数据采集、 处理、显示、打印和输出指令信号控制比例阀测试试验台的动作。传感器单元包 括三个压力传感器和两个位移传感器，负责将表征被测系统的物理量转化为标准 电信号，送入数据采集卡进行显示或处理。输出控制单元包括４路数字量输出和 １路模拟量输出，负责将工控机的指令信号进行转换和放大，最终控制比例阀试 验台的执行元件。数字量输出采用Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｈ－ｕｍｅｎｔｓ公司的ＮＩ ６０１０。Ⅻ６０１０ 是一块多功能数据采集卡，但在此试验台上我们仅使用它的４个数字量输出通 道。模拟量输出采用研华公司的ＰＯＩ一１７２０，它是一块带隔离的模拟量输出卡， 拥有４路１２位Ｄ／Ａ输出，有多种输出范围可以设置。数据采集单元采用采用研 华的ＰＣＩ．１７１３高速采集卡，它有３２路单端或１６路差分输入，分辨率为１Ｚ位， 最大采样频率可达１００ＫＨｚ。圆４－２试验系统组成４．５基于ＬａｂＶＩＥＷ的测控程序ＬａｂＶＩＥＷ（１ａｂｏｒａｔｏｒｙｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ）是ＮＩ推出的虚拟仪器开发平台软件，它采用图形化编程语言，易学易用，可在很短的时间内掌４７浙江大学硕士学位论文握并应用到实践中去。同时ＬａｂＶⅢｗ还提供了丰富的库函数和功能模块，包括 数据采集、ＧＰＩＢ、串行仪器控制、数据分析、数据显示、数据存储及网络功能， 可完成各种各样的编程任务。与传统的编程语言最大的区别在于：传统的编程语言使用纯文本语言编程，而ＬａｂＶＩＷ使用图形语言（ＨＰ各种图表，图形符号， 连线等）编程，界面非常直观形象。总之，由于ＬａｂＶＩＥＷ能够为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，而深受用户青睐１５７－５９】。ＬａｂＶＩＥＷ程序由三部分构成，即前面板、程序框图和接口板。前面板实现 的是程序的输入输出功能，包括旋钮、按钮、图形和其他控制元件与显示元件以 完成用鼠标、键盘向程序输入数据或在计算机显示器上显示数据。程序框图是图形化程序代码，是ＶＩ图形化的源代码，对前面板上的各种控件对象进行控制，是ｖＩ测试功能软件的图形化表示。接口板为函数模板，它包括编程所涉及到的ｖＩ程序和函数，ＶＩ程序使用接口板来替代文本编程的函数参数表，每个输入和输出的参数有自己的连接端口。图４?３测控程序的用户界面图４．３是应用ＬａｂＶＩＥＷ程序编写的比例节流阀试验台测控程序的用户界面。 界面最上方是传感器的状态监视，分别为阀的“入口压力”、“出口压力”和“油 缸位移”显示。当蓄能器压力达到设定值后，“入口压力”不再上升，可以开始 进行测试。首先用“指令信号”旋钮调定要输出的指令信号的大小，也可以在数值输入框中直接输入要输出的指令信号的幅值，接着按下“阶跃测试”按钮开始测试。程序首先控制电磁铁ＹＡ３得电，插装式开关阀预先打开。接着，测试程 序控制输出一个阶跃指令信号到比例控制放大器，阶跃指令信号的幅值由测试前所调定。采集卡同时开始采集数据，并将入口压力、出口压力和油缸活塞运动速 度经分别显示在界面上的两个图表中。数据采集只进行１２０ｍｓ，其后的数据不进４８浙江大学硕上学位论文行采集。测试完成后可以选择按下“存储数据”按钮将采集到的数据保存到工控 机磁盘上，供日后分析使用。在阀的阶跃响应已经完成后，控制程序自动将输出 给比例控制放大器的指令信号变为零并关闭电磁铁ＹＡ３。此时按下换向阀控制 “右位”按钮后，程序控制换向阀电磁铁ＹＡｌ得电，油缸开始复位，为下一次试验做准备。图４＿４是比例阀试验台测控程序的结构框图，其详细的ＬａｂＶＩＥＷ程序框图 见附录二。测控程序中采用了两个主循环，一个是数据采集处理循环，另一个是 输出指令处理循环。信号采集采用中断模式，采样频率为每通道１０ｋＨｚ，采集卡在其缓存一半满时送出一个中断信号，将采集到的信号送入ＬａｂＶＩＥＷ程序进行处理，因此信号采集处理循环的循环时间由采样频率和缓存大小决定。数据处理 模块中对采集到的信号进行滤波和换算处理，包括将采集到的电压信号换算成对 应的压力数值，对位移传感器信号进行差分处理，得到速度信号，再换算成相对 应的流量大小。为了能够在准确的时间点控制被试阀和换向阀，将输出指令处理模块放在与信号处理平行处理的一个循环中，因此其循环时间可以任意设置，其 最小可控时间仅与系统能分辨的最小时间间隔有关。图４．４比例阀试验台测控程序结构框图４．６试验结果在试验台上对比例节流阀样机在输入７Ｖ阶跃指令信号下进行测试，测得通过阀的流量一时间曲线如图４．５所示；在输入１０Ｖ阶跃指令信号下进行测试，测得通过阀的流量一时间曲线如图４．６所示。从图中曲线可以看出，在输入指令信号为７ｖ时，其流量阶跃响应时间约３２ｍｓ（指令信号在０ｍｓ时输入），峰值流量 达４０００Ｌ／ｍｉｎ。在输入指令信号为１０Ｖ时，其流量阶跃响应时间约４１ｍｓ（指令信号在０ｍｓ时输入），峰值流量达６５００Ｌ／ｍｉｎ。试验结果表明，该阀输出流量比 例可调，且其阶跃响应性能基本达到设计要求。浙江大学硕士学位论文荸｜ Ｏ ｍ２８§ Ｖ■ 璃ｍＯ ⅢＯ ⅢＯＯ０２０４０８０８０ｔ００１２０时间（ｒｒｓ）图４．５输入７Ｖ指令信号时的流量阶跃响应曲线（指令信号在Ｏｒｅｓ时阶跃）６０００ Ｃ‘Ｅ己４０００一塔２００ａＯＯ２０●ＯｅＯ８０１００１２０时间（ｍｓ）图４－６输入ｌＯＶ指令信号时}