非对称喷嘴挡板式电液伺服阀特性分析

　　0 引言

　　20世纪50年代,Moog发明了世界上第一台喷嘴挡板式两级电液伺服阀^[1-2]。其后,电液伺服阀被逐步应用于飞机助力操纵系统以及各个工业领域的自动化控制系统。与一般滑阀相比,喷嘴挡板阀结构简单,具有突出的优点(如没有相对滑动的圆柱配合面,抗污染能力强);挡板运动部分的惯性小,位移量小,动态响应速度快且灵敏度高;制造公差和成本相对较低。喷嘴挡板阀已经广泛应用于航空航天、舰船、冶金、机床等行业的大流量液压系统中^[3-6]。

　　喷嘴挡板式电液伺服阀结构在理论上左右对称,但是精密偶件的配合尺寸小,在制造和使用过程中往往存在严重的不对称现象,如两个喷嘴的大小不完全相同,装配时喷嘴挡板间隙难于做到理想的对称布局,环境温度变化造成几何结构不对称等^[4,7-9]。电液伺服阀在极限工作环境的使用过程中还要承受极端温度、振动、冲击和加速度的考验,易产生几何结构和性能的不对称,如何取得喷嘴挡板阀几何结构和性能之间的对应关系至关重要^[10]。目前,对具有非对称喷嘴挡板结构的电液伺服阀的研究尚不多见。为此,本文分析喷嘴挡板阀的非对称结构(包括不对称喷嘴、不对称阻尼节流器等),得出非对称喷嘴挡板式电液伺服阀的基本特性,为新型电液伺服阀的研制及其应用提供理论基础。

　　1 喷嘴挡板式电液伺服阀

　　图1为带阻尼节流器的喷嘴挡板式电液伺服阀的结构原理图。图1中,p_s为供油压力,p₁、p₂分别为与执行机构相连接的两个负载腔压力,p₀为回油压力,p_c1、p_c2分别为两个喷嘴容腔的压力。该新型喷嘴挡板式电液伺服阀包括动铁式力矩马达和喷嘴挡板阀两部分,在喷嘴容腔处设置了一对固定节流器8。当输入控制电流$I时,力矩马达的衔铁组件3产生磁场,并与上磁体2和下磁体4的电磁铁磁场发生作用,衔铁组件3发生偏转,使与衔铁组件刚性连接的挡板11偏离中立位置,导致两个喷嘴容腔内的压力发生变化,产生压差p₁-p₂,从而驱动执行机构。当控制电流ΔI的大小和方向改变时,电液伺服阀输出流量的大小和方向或者负载压力的大小也发生改变,从而使执行机构的运动速度和运动方向或者输出力的大小也发生改变。

　　2 理论分析

　　2.1 喷嘴挡板式电液伺服阀的压力-流量方程

　　2.1.1 喷嘴挡板阀的静态压力特性

　　图2为带阻尼节流器的双喷嘴挡板电液伺服阀示意图。图2中,q_m1、q_m3分别为通过两个固定节流器的质量流量,q_m2、q_m4分别为通过两个喷嘴挡板节流孔的质量流量。假设两个喷嘴容腔的体积很小,并忽略容腔中油液的压缩性。喷嘴挡板式电液伺服阀在两个喷嘴容腔处设置了两个固定节流孔(a₁和a₂),其面积分别为A_b1和A_b2,用于调节负载容腔压力的线性度及其动态特性。