高速电液执行器的性能仿真及研究

　　0 前 言

　　活塞式压缩机变排量技术是压缩机行业的领先技术,其原理是通过控制气阀的打开和关闭时间来改变活塞每个行程周期内气体的压缩量,从而实现压缩机排气量无级可调。高速电液执行器是变排量压缩机的核心元件,它将液压能转换成机械能^[1],使气阀克服弹簧力打开,执行器的动态性能很大程度上决定了压缩机变排量的效率和精度。但由于活塞的运动周期一般只有几百毫秒,为了满足控制系统实时性的要求,使得电液执行器必须具有很高的动态响应速度^{[2, 3]}。

　　常规设计方案是利用单个高速开关阀驱动电液执行器,但由于国内在高频响应、大流量高速开关阀的研究上起步较晚,高速开关阀提供的流量限制导致执行器响应速度较慢,不能满足变排量压缩机电液控制系统的要求^[4]。

　　为了解决上述问题,笔者提出一种双阀驱动方案,其原理,如图1所示。电液执行器由高速开关阀、二级机械阀和柱塞缸组成。高速开关阀作为二级机械阀的先导级,先导油推动二级机械阀芯动作从而控制柱塞缸无杆腔和高压油路的通断。本研究通过对高速开关阀、二级机械阀和柱塞缸结构和系统原理图的分析,建立电液执行器的数学模型。

　　1 数学模型

　　高速开关阀为二位三通球阀结构形式^[5],内部结构,如图2所示。

　　其工作原理为:常态下进油口P与工作油口A的通路处于关闭状态,回油口B与工作油口A连通。当电磁铁线圈得电时, P口与A口导通,高压油经A口进入机械阀先导油腔。电磁铁失电后,高速开关阀阀芯在高压油的作用下复位, P口到A口的通路关断,A、B口导通,柱塞缸内部油液通过B口流回油箱。

　　通过以上分析,得到阀芯受力平衡方程:

　　流过二级阀先导控制油口的流量方程^[6]:

　　式中F_M—电磁推力;P_S—油源压力;A_S—阀芯面积;m_g—阀芯质量;y—阀芯位移;B—阻尼系数;Q₁—流过高速开关阀控制油口的流量;C_d—高速开关阀流量系数;A_g—高速开关阀阀口过流面积;Q—油液密度;P_A—二级机械阀控制口压力。

　　二级机械阀为四边滑阀结构形式,主体与电液执行器通过螺纹配合,其内部结构,如图3所示。常态下在复位弹簧的作用下阀芯处于关闭状态,A口与B口的回油路导通。当高速开关阀电磁铁得电时,高压油经电磁阀A口进入先导油口X,使机械阀进油P与工作油口A导通,高压油进入柱塞缸无杆腔推动柱塞动作。