基于深海环境的电液比例压力阀稳态特性研究

    电液比例压力阀作为压力控制元件是深海液压系统设计的关键元件之一,在陆用工况下其性能特性的研究已相当成熟[1],但在应用于在高环境压力和低海水温度包围的深海环境时,其性能特点尚待进行深入的探讨和研究。笔者对863项目“深海节能型集成动力源关键技术”中开发的液压动力源的电液比例压力阀为对象展开研究,先对其结构和工作原理进行简要论述,然后建立了深海环境下压力阀的稳态控制数学模型,接着通过试验研究验证了模型合理性及压力阀对深海环境的适应性。

    1　结构原理

    深海节能型集成动力源的压力控制阀为电液比例溢流阀,由耐高压湿式直流比例电磁铁和锥阀组成,如图1所示。电磁铁导套2具有足够的耐压强度,可承受35MPa的静压力[2],以适应存在环境高压的深海环境[3];导套2和壳体将线圈1包围在一个密封腔体内。衔铁4上开一阻尼小孔3,以增加衔铁运行时的平稳性;锥阀芯7和衔铁4间通过弹簧连接,阀口入口处有一固定节流孔9,用于增大控制阀的液压阻尼。

    由图1知,当给比例控制线圈1输入一定电流i时,输出与它成比例的电磁力。此电磁力推动衔铁4,通过传力弹簧6作用在锥阀芯7上,平衡进口处的液压力,在经过进口节流孔9的液阻作用后,得到与输入电流成一定比例关系的输出压力pr,其中流量Qs为干扰量。

    2　压力阀稳态模型

    2·1　液压油黏温-黏压模型

    黏度作为液压油最重要的参数,对系统的性能,特别是压力阀的稳态性能影响显著。前人已对此做出了大量的研究[4-5],笔者就此进行了借鉴和综合,以期获得较符合深海工况环境的黏度-压力-温度的复合动态关系式。

    Vogel提出的黏温方程:

    表述黏压关系的Barus方程:

    μp=μ_p0e^α(p-pa)          (2)

    由式(1)、(2)可得黏温和黏压关系式:

    μ=μ0e^{α(p-pa) /β(T-T0)}        (3)

式中:α、β分别为黏压系数(Pa-1)和黏温系数((℃)-1);μT0、μT、μp0、μp、μ分别为初始温度T0、温度T(℃)、压力为pw(Pa)及温度-压力为(p, T)时液压油的动力黏度(Pa·s)。

    2·2　压力阀稳态数学模型

    对压力阀进行稳态分析,可以得出描述静特性的支配方程。

    (1)假定输出电磁力和输入电流成比例关系,忽略比例电磁铁的非线性因素,可得比例电磁铁电磁力方程:

    F_EM=Kii      (4)

式中:FEM为电磁力;Ki为比例电磁铁电流-力增益;i为控制电流。

    (2)衔铁-弹簧-锥阀芯整体力平衡方程:

    F_EM=p_yA_m-Ksvxv         (5)