高速大流量插装式比例节流阀的建模与验证

　　0 引言

　　随着液压系统不断向高速、高压、大功率和高精度的方向发展,插装式电液比例控制技术在重载操作装备设计制造领域获得了广泛的应用,高速大流量二位三通插装式比例节流阀是最典型的插装阀之一。为掌握该阀的动态特性并合理应用,有必要建立其数学模型,分析其动态和稳态特性。目前对于二位三通插装式比例节流阀的研究只有文献[1]提及,但只给出线性传递函数模型。文献[2]虽建立了插装式比例节流阀非线性模型,但只针对二位二通的情况。考虑到插装式比例节流阀主级的通流量大,阀口工作行程长,该阀在伺服系统中表现出明显的非线性特征,在对该阀进行理论分析时,不能按常规思路将插装式比例节流阀线性化处理,并视为一个二阶或三阶环节,否则会造成较大的分析误差[3]。为了准确地描述二位三通插装式比例节流阀动态特性,本文在分析其内部机理的基础上建立了简单、实用的非线性数学模型并进行验证。

　　1 插装式比例节流阀结构与工作原理

　　插装式比例节流阀结构如图1所示,图1中Upc为先导级指令电压,Ug为比例放大器的输出电压,S为主级阀芯的位移信号,Uf为反馈电压信号,X为先导压力油进口,Y为回油出口。先导级采用喷嘴挡板型伺服阀(内含两级液压放大),主级(第三级)为主动控制型插装式滑阀,主级阀芯带有一定面积比的控制棱边。先导阀的油口a,b与主级阀芯凸缘上的控制容腔相通,通过先导阀的口a和口b对主级阀芯进行控制。主阀口A与弹簧腔通过阻尼孔相连,通孔使主阀阀芯的两端压力平衡,相应地控制棱边控制油液从口P流向口A或从口A流向口T。主级带有感应式位移传感器,通过外置的集成式闭环控制放大器实现阀芯位置闭环控制。

　　2 插装式比例节流阀数学模型

　　2.1 先导阀的数学模型

　　先导阀的先导级为两级喷嘴式伺服阀,先导级采用内部供油和外部回油,对于两级喷嘴式伺服阀的模型,文献[4]~文献[10]将伺服阀简化为阀芯位移与输入电流的二阶系统模型。同时,由于大流量插装式伺服阀的先导阀动态响应频宽,要远高于主级的频宽,为避免模型复杂和参数过多,通常将输入电压和比例放大器的输出电流之间的关系视为比例关系。伺服阀阀芯位移(输出)xsp与伺服阀输入(比例放大器输出)电压Ug的关系为:

　　式中:为先导阀的固有频率为先导阀的阻尼比;xsp为伺服阀阀芯的位移;Ks为先导级增益;Ug为伺服阀输入电压。

　　2.2 先导级油路流量连续性方程

　　对于先导阀的阀口做如下假设:1)阀口配做且对称;2)无零位遮盖。在满足上述条件的情况下,通过先导阀油口a和油口b的流量方程为: