双喷嘴挡板电液伺服阀建模与仿真研究

　　电液伺服系统综合了电和液压两方面的特点, 具有控制精度高, 响应速度快, 信号处理灵活, 输出功率大和结构紧凑等优点, 在军工和工业控制上得到了广泛的应用。电液伺服阀是电液伺服系统的核心, 在电液控制系统中, 将电气部分和液压部分连接起来, 实现电液信号的转化和放大, 它的性能直接影响甚至决定整个系统的性能。

　　电液伺服阀代表性的产品有喷嘴挡板式、射流管式、偏转板射流式、动圈滑阀式等类型的伺服阀。其中双喷嘴挡板电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳可靠等优点, 所以在各种电液伺服系统中得到了极广泛的应用。流量特性又是电液伺服阀的重要特性之一, 特性指标反映出电液伺服阀的品质。因此, 对电液伺服阀流量特性的研究, 对于正确设计和使用好电液伺服阀都具有重要意义^[1~2]。

　　1 阀的结构与原理

　　双喷嘴电液伺服阀由动铁式力矩马达和双喷嘴挡板阀(前置放大级)及滑阀(功率放大级) 组成, 其结构, 如图1所示。图中衔铁和挡板组成一个刚件, 在零位时, 力矩马达输入差动电流△i=0; 衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间, 挡板也处于两个喷嘴的中间位置。两喷嘴负载腔压力相等, 输出的差动压力为零, 即无输出。

　　当给力矩马达输入控制电流△i时, 衔铁上会产生电磁力矩, 使衔铁挡板组件绕弹簧管转动, 挡板偏离中间位置, 引起两喷嘴负载腔压力不等。弹簧管变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡, 使衔铁挡板组件停留在与某个控制电流相对应的偏转角上, 电液伺服阀产生负载输出。改变控制电流的大小和方向, 可以相应的改变输出压力(或流量)的大小和方向, 且阀的输出量以及衔铁挡板的偏转角均与控制电流成比例^[3]。

　　2 数学模型

　　将双喷嘴挡板电液伺服阀按结构分解, 分别建立其各环节的数学模型。

　　2.1 力矩马达运动方程

　　力矩马达输出的电磁力矩T_d为:

　　式中: K_t、G_m—力矩马达的中位电磁力矩系数(N·m/A)和电磁弹簧刚度(N·m/rad) ;

　　θ—衔铁的偏转角( rad) 。

　　在电磁力矩T_d的作用下, 衔铁挡板组件的运动方程为:

　　式中: J_a—随衔铁一起运动的衔铁组件的总转动惯量;

　　B_a—衔铁挡板组件的粘性阻尼系数;

　　G_a—弹簧管扭转刚度( N·m/rad) ;