基于平均流量的伺服阀选型计算

　　0 引言

　　伺服阀的选型计算因其应用场合而异,用于加载系统和速度控制系统则满足“最大负载、最大流量”这一点的使用要求即可,用于舵机液压系统则应满足/负满舵运动至正满舵的平均流量一定0的使用要求。

　　某潜艇舵机液压系统是阀控对称液压缸位置控制系统。舰船标准对平均打舵速度有指标要求,而平均打舵速度乘以液压缸作用面积即平均流量,所以舵机系统的平均流量已知。该舵机液压系统的液压油源是9~10MPa的恒压源,而油缸的负载力在航速一定的情况下可视为舵角的单变量非线性函数。该舵机系统伺服阀的选型计算即平均流量已知求解最大空载流量的计算。

　　传统的估算方法是以满足“最大负载、平均流量”这一点的使用要求为准则,如此选取的伺服阀偏大较多。

　　1 计算模型

　　阀控对称液压缸液压系统的模型如图1所示,稳态时不考虑油液的可压缩性,则有:

　　Q_L=Q₁=Q₂(1)

　　其中:Q_L为负载流量(L/min),Q₁、Q₂为油缸两腔的流量。

　　假设伺服阀的4个节流窗口是匹配而且对称,则推导可得:

　　p₁+p₂=ps 　　(2)

　　其中:ps为油源压力(MPa),p₁、p₂为油缸两腔的压力。

　　从而,推导可得:

　　其中:Q₀为空载流量(L/min);p_L为负载压力(MPa),p_L=p₁-p₂。

　　根据水动力特性,可以近似假定:舵轴力矩、舵板法向力与舵角成正比例关系。考察舵机油缸由负满舵向正满舵运动的全过程,则可知如下特性:负满舵(-αm)向0b左右打舵时,舵轴力矩、舵板法向力为动力,摩擦力、负载压力是阻力;0b左右向正满舵(+αm)打舵时,负载压力为动力,舵轴力矩、舵板法向力、摩擦力是阻力。

　　依据水动力和舵传动机构动力学分析,推导可得:

　　p_L=f(A) 　　(4)

　　其中:A为舵角, f为某种非线性函数关系。

　　根据舵传动机构的运动学分析,可以得到负载流量与舵角的函数关系。以某舵为例,其函数关系近似为:

　　由式(3))(5),推导可得舵角方程:

　　根据方程(6)可以方便求解出平均打舵速度?(平均流量),故通过选择合适的Q0,可以使得平均打舵速度(平均流量)满足设计要求。

　　2 仿真计算

　　由于系统开环增益较大,从而伺服阀由零开口运动到全开口和全开口运动到零开口的时间相对于整个打满舵时间很小,故可以假定:伺服阀在负满舵(-αm)到正满舵(+αm)打舵过程中处于全开口状态。