电液换向阀的状态变量模型与仿真研究

　　引 言

　　传统的液压控制阀的设计、分析方法是基于一种半经验的方法。即按照液压控制阀的静态性能要求，根据经验确定液压控制阀的结构型式和参数，经试验获得液压控制阀的静、动态性能；当液压控制阀的性能不满足设计要求时，再经过设计调整液压控制阀的相应结构参数，然后重新试验获得改进后的液压控制阀的静、动态性能。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，对液压控制阀的开发和深入研究也存在着许多问题。在理论分析中，很多非线性因素都未加以考虑，如阀座的约束反力、库仑摩擦力等，因此理论分析的模型是半定量化的。这就势必造成一个反复由设计到试验的研制过程，导致设计周期长，设计成本高[1]。为了解决这一问题，针对确定的液压控制阀的结构型式，根据液压控制阀的静态性能要求，初步确定液压控制阀的结构参数，建立液压控制阀的状态变量模型，然后利用仿真对液压控制阀的动态特性进行仿真研究，以便寻求合理的参数，以达到提高动态特性的目的[2]。本文针对螺纹插装式电液换向阀进行了研究。

　　1 电液换向阀的结构及工作原理

　　螺纹插装式二位二通电液换向阀的结构示意图如图 1所示[3]。由此可知，该电液换向阀为一复合阀，由电磁换向阀作为先导控制部分，液动换向阀作为主阀部分。先导阀由先导阀芯 1、前弹簧 2、后弹簧 5、衔铁 4、电磁线圈等组成；主阀由主阀芯 3、阀套 7、阀壳体 6 组成。先导阀芯和主阀均采用锥阀式结构，与阀座采用线接触。先导阀芯与衔铁采用 T 型槽联接，阀壳体 6 与阀套 7，阀壳体 6 与阀体均采用螺纹联接。阀的各处采用 O 形密封圈密封。

　　该阀的工作原理为：当电磁线圈断电时，由于先导阀芯后弹簧 5 的刚度远远大于前弹簧 2 的刚度，因此在弹簧力的作用下，先导阀芯 1 移动，使先导阀孔 d₄封闭。此时，进口高压油 p₁经节流口 d₆流向主阀芯 a 腔，主阀芯在弹簧力和液压力的作用下移动，使主阀口 q₅关闭。当电磁线圈通电时，先导阀芯 1 在电磁吸力作用下移动，使先导阀孔 d₄导通，主阀芯 3 的 a 腔的油液通过先导阀孔 d₄与阀的出口 p₂相通，由于阻尼孔 d₆远远小于先导阀孔 d₄的直径，因此主阀芯 a 腔的液体压力与出口 p₂相同。由于主阀芯采用差动式结构，故在液体压力作用下主阀芯移动而使主阀口 q₅导通。

　　2 电液换向阀的状态变量模型

　　由螺纹插装式电液换向阀的结构可知，该电液换向阀由电磁换向阀作为先导控制阀，液动换向阀作为主阀，采用电液耦合的两级控制方式，具有复杂的交叉耦合关系而难以进行动态特性分析[4]。为了能定性地讨论阀的结构参数对动态特性的影响和便于仿真研究，在进行动态特性研究时，将电液换向阀分解成先导控制部分和主阀部分。由于先导阀采用12V 直流电磁铁驱动、锥阀式结构，且阀口的直径只有0.001m，其接通时间为 15ms 左右[5]，故在进行系统动态特性分析时，可将其视为延时器。电液换向阀的主阀在开启和关闭过程中，存在严重的非线性，采用状态空间法进行动态特性分析。图 1 为电液换向阀计算原理图。