调速阀出口节流调速系统动态特性研究

　　0 引言

　　出口节流调速回路分为回油路串接节流阀的节流调速系统和回油路串接调速阀的节流调速系统.在出口节流调速回路中，执行元件所承受的负载会发生突然变化，形成阶跃负载，使系统中液压缸两腔压力出现动态变化，执行元件的运动速度以及系统中各元件所承受压力也会发生瞬时变化，影响系统的正常工作. 目前，国内外学者针对节流调速回路进行了大量的试验和理论研究，在静动态理论分析、速度负载特性、测试与仿真等方面取得了一定的进展［1 －9］. 本文以负载作为输入，液压缸有杆腔和无杆腔压力作为输出，分别建立系统的数学模型，对调速阀出口节流调速系统动态特性进行研究，并进行试验验证.

　　1 调速阀的传递函数

　　在调速阀出口节流调速系统中，调速阀串接在回油路上，如图 1所示. 若忽略调速阀前管道的动特性，液压缸的出口流量与调速阀的进口流量是相等的，即 q2= qv2，并假定回油背压为 ，即 p3( t) = 0 .若以调速阀进、出口压差为输入量，流入调速阀的流量为输出量，调速阀的传递函数为［10］:

　　其中: Cd1为减压阀阀口的流量系数; x0为减压阀阀芯静态时的开口量; p20、p′20、p30分别为减压阀的进口压力、节流阀进口压力和出口压力的平衡初始值; Kw为减压阀弹簧刚度; A 为减压阀阀芯的有效作用面积;e为液流流入减压阀阀口的入射角.

　　2 建立以负载 F( s) 为输入，液压缸有杆腔压力 P2( s) 为输出的系统数学模型

　　2. 1 系统模型的建立

　　在不考虑液压泵的流量脉动、液压缸泄漏、管道动特性及管道压力损失的情况下，液压缸活塞的受力方程为［9 －11］:

　　Ap1( t) － A2p2( t) = mdu/dt + Bu( t) + F( t) . 　　( 2)

　　其中: A1、A2分别为液压缸无杆腔、有杆腔的有效工作面积 ( m2) ; p1( t) 、p2( t) 分别为液压缸无杆腔、有杆腔的压力 ( N) ; m 为活塞的质量 ( kg) ; B 为粘性摩擦阻尼系数; F( t) 为外负载 ( N) ; u( t)为活塞的运动速度 ( m/s) .

　　液压缸两腔的液流流量方程:‘

　　q( t) = A1( t) + ( V1/ K) dp/ dt; 　　( 3)

　　q2( t) = A2u( t) + ( V2/ K) dp2/ dt; 　　( 4)

　　其中: q1( t) 、q( t) 分别为液压缸进油、回油流量 ( m3/ s) ; V1、V2分别为液压缸进油、回油压力腔的总容积 ( m3) ; K 为有效体积弹性模量.

　　由于调速阀相对液压缸的固有频率较高，故可以以其静态特性代替其动态特性，由式 ( 1) 可得:

　　G_T( s) = Q2( s) /P2( s) = H3/ G3 　　( 5)

　　将式 ( 2) —式 ( 4) 进行线性化并拉氏变换，考虑到进油路上溢流阀的定压作用，进油压力 p1( t)保持不变，则有: － A2P2( s) = ( ms+ B) U( s) + F( s) ，Q1( s) = A1U( s) ，Q2( s) = A2U( s) － V2sP2( s) /k.若以阶跃负载 F( s) 作为输入量，液压缸有杆腔压力 P2( s) 作为输出量，并令 f = ( A2G3K) / ( mG3V2) ，ω2n= ( BH3K + A22G3K) / ( mG3V2) ，2ξωn= ( mH3K + G3V2B) / ( mG3V2) ，系统的传递函数为: