引入反馈杆动刚度的电液伺服阀动力稳定性研究

　　1　引言

　　随着电液伺服系统应用领域的不断拓展,原有的电液伺服阀已经不能完全满足现实的发展要求,出现了很多新的问题需要解决,具体表现为:环境和任务复杂;高压大功率;工作频率带宽要求;高可靠性要求;系统特性补偿;数字化控制和离散化带来的问题;电液伺服阀的工业应用等问题。在某型二级电液伺服阀的工作过程中,电液伺服阀出现了失稳啸叫现象,本项工作是基于这类工程问题展开的。在什么情况下稳定,什么情况下失稳,二者的分界点是什么?如何调整动刚度,使电液伺服阀的动态特性有更大的带宽,适应更复杂的工况。

　　传统的研究领域,众多的学者对阀本身特性进行了多方面的研究,包括系统建模、仿真、静态特性、动态特性、故障诊断等很多领域;现阶段,研究多围绕新材料的应用和新型结构的设计开发两个方面着手展开;在参数优化方面,对系统的动态特性涉及不多,相关的研究工作很少,传统的设计多为静态设计,基于动态设计的技术处于研究初级阶段,而现实工况的复杂性,更加要求对传统的电液伺服阀进行动态性能进行分析,这就要相应的引入其他学科的理论知识,展开这方面工作的研究,对提高电液伺服阀的性能,进而拓展电液伺服系统的应用领域将起到积极的推动作用。

　　2　基本原理

　　电液伺服阀是由一个力矩马达和二级液压放大元件组成的系统,其第一级液压放大器为喷嘴挡板阀,由动铁式永磁力矩马达控制;第二级液压放大器为滑阀,阀芯位移通过反馈杆转换成机械力矩反馈到力矩马达的衔铁组件上。图1给出了典型二级电液伺服阀的结构示意图。

　　2. 1　系统传递特性

　　为研究整个伺服阀系统稳定性,针对电液伺服阀各环节的数学模型,我们给出其按典型环节表达的传递函数方框图,如图2所示。

　　拉氏域下基于典型环节的电液伺服阀传递函数如下:

　　2. 2　反馈杆的动刚度数学模型

　　多自由度系统的运动方程:

　　其中[m][k][c]分别为结构系统的质量、刚度和阻尼矩阵分别为系统的加速度、速度、位移和动载荷列阵。假设系统为小阻尼结构,且阻尼矩阵可在模态空间内解耦,基于模态坐标的频响函数表达式为:

　　拉氏域下,反馈杆在自由端受简谐激振力的动刚度表达式为：

　　其中K(S)为动刚度,Wr为反馈杆自由端的模态振型。

　　使用反馈杆的动刚度模型代替原系统模型中的静刚度系数,系统回路的传递框图如图3所示。

　　3　系统仿真及试验曲线