变阻尼电液控制系统及实验研究

　　电液控制系统由于介质的黏性使得系统的运动、频响及稳定性受到影响,系统设计时要求尽量地提高系统的频响特性和保持一个合适的阻尼比。若系统中存在非线性的液压元件,对系统的动态特性影响较大,影响系统的瞬态响应特性、系统的稳定性,使正弦输入信号发生畸变,非线性还可能产生跳跃谐振现象或稳定的等幅振荡等,从而降低电液系统的动态性能。

　　本文提出在电液系统中引入一个可调的液压阻尼器,使电液控制系统的阻尼比能在一个适当的范围内变化,为系统特性的改善提供新的途径。

　　1　系统的数学描述

　　图1为电液系统的示意图。图中的阀为电磁比例换向阀,图中可变节流阀可以在2个方向实现液体节流,直接调节腔3、腔4的压差,产生可变阻尼力。p、V、Q为对应的各腔的压力、体积和密度; p0、pS为回油压力和泵压力;xv为阀芯位移;Qm为液体质量流量;y为负载位移;KL、bL、F分别为弹性负载的弹簧刚度、负载黏性阻尼系数和外负载力;Kg为液压节流阀的阀系数。

　　1. 1　节流阀的流量特性

　　因为液压电液系统频带较窄,在平衡位置附近,可近似认为阀中液体的流动为层流流动,则有：

　　式中:Ql为节流阀的负载流量; xf为节流阀设定的预开口量; Kf为节流阀的流量压力系数; pl为节流阀的负载压力。

　　假定节流阀的阀系数为Kg,且Kg=Kfxf。在平衡位置小扰动范围内线性化,并对式(1)进行拉氏变换,可得:

　　1. 2　节流阀阻尼力特性

　　液压阻尼力是由于一定流量流体通过阀口处产生压差而形成的,过流量和液压阻尼力分别为:

　　式(3)在平衡点附近线性化后,拉氏变换得:

　　式中:Al为液压缸活塞的有效作用面积; Fl为液压阻尼力。

　　2　液压控制系统的数学描述

　　1)方向阀流量方程

　　式中:Qm1、Qm2为流入和流出方向阀的流量;m1、m2为对应的流入流出液体的质量;V1、V2为对应的流入流出液体的体积;ρ为液体的密度。

　　2)工作腔的压力微分方程

　　式中:β为液体体积常数; l为液压缸行程;A1、A2为液压缸活塞面积。

　　3)方向阀的压力-质量流量方程

　　式中:ps为油源压力;p1、p2为无杆腔和有杆腔压力;xv为阀芯位移;Cd为流量系数;w为滑阀面积梯度。

　　在平衡点附近线性化方程,拉氏变换后有:

　　式中:Kq1、Kq2分别为通过方向阀阀口1和阀口2的质量流量增益;Kc1、Kc2分别为通过方向阀阀口1和阀口2的质量流量-压力系数。