差动式液控换向阀结构参数的优化匹配

　　0　引言

　　换向阀的动态特性直接影响到液压控制系统的控制精度,如何优化匹配换向阀的结构参数,改善其工作性能是换向阀设计中面临的研究课题。而传统换向阀的设计、分析方法是基于一种半经验的方法。由于一些理论公式经多方简化,已难以解释和处理某些实际问题。在理论分析中,很多非线性因素都未加以考虑,因此理论分析的模型是半定量化的[1]。这就势必影响到换向阀的动态特性,导致所得结果与实际有很大的出入。而基于现代控制理论的状态变量模型,完全克服了上述缺点和局限性,不仅解决了非线性时变系统的动态分析问题,而且根据需要可以求得任意时刻的任意或所有状态变量值,从而了解系统内部状态及其动态变化,获得对系统动态过程全面的、本质的了解,并有利于阀的结构参数优化匹配[2-3]。为此,作者针对换向过程中存在严重非线性的差动式液控换向阀进行了研究[4]。

　　1　液控换向阀的状态变量模型

　　图1为差动式液控换向阀[5]计算原理图。取状态变量根据液控换向阀开、闭过程中,其阀口、固定节流孔d3和单向阀阀口压力-流量方程;液控换向阀阀芯、单向阀阀芯和液压缸活塞的力平衡方程;流量连续性方程,推导整理得到状态方程为[6-7]

　　式中:x为液控换向阀阀口开口量; xp为液压缸活塞位移; xd为进油道单向阀阀口开口量;

　　根据静态性能设计的参数:液控换向阀阀芯质量m= 0·046kg;阀芯各直径d1= 0·012m,d2=0·022mm,d3=0·003m,d0=0·008m;阀芯面积A1=1·13×10^-4 m²,A2=3·8×10-4m²,A3=7·1×10-6m²;弹簧刚度K=2 000N/m;预压缩量x0=0·004m;最大开口xm=0·004m;液压泵额定压力ps=10×10⁶Pa,额定流量qp=53L/min,容积效率ηpV=0·8;泄漏系数Ct=8·83×10^-12m³/(Pa·s);液压缸内径D=0·065m,有效作用面积A=3·32×10^-3 m²,机械效率ηmm=0·7,负载力FL=6 376·5N,有效体积弹性模量Ep=2·0×10⁸Pa,活塞等效负载质量mp=865kg;液控换向阀阀口流量系数Cd1≈0·62,固定节流孔流量系数Cd3≈0·8;等效阻尼系数B=μLzLR0=15·83N·(m/s)-1 [8],液压缸等效阻尼系数Bp=1·197 3×10⁴N·(m/s)-1;液控换向阀阀腔、液压泵腔及连接管路的总容积Vs=7·356 2×10^-4 m³,液压缸至阀间容腔的总容积Vp=9·0×10^-4 m³;单向阀通径dd=0·013m,弹簧的预压缩量xd0=0·003m,阀口最大开口量xdm=0·004m,弹簧刚度Kd=2 000N/m,阀芯锥度αd=45°,流量系数Cdd=0·62,阀芯质量md=0·03kg,阻尼系数Bd=6·51N·(m/s)-1。

　　2　仿真研究及结构参数优化匹配

　　选用四阶龙格-库塔算法,采用C++编程[9],仿真研究液控换向阀开闭过程的状态变量模型,获得阀的结构参数和性能参数对开闭过程动态特性影响[10],仿真曲线如图2所示。由此可知: