非匹配阀控缸工作压力变化的研究

　　0　前言

　　非匹配的三位四通阀控缸动力机构是最常见的电液比例控制动力机构之一。这种动力机构属于不对称动力机构,其动静态特性会随着其运动方向的变化而变化。例如,这种动力机构在不同方向上具有不同的工作压力[1],存在较大幅度的压力变化。该压力变化易导致冲击、振动和空穴等不利现象,影响液压系统的性能。对于采用不对称阀控缸动力机构的钻柱升沉补偿系统来说,在实现升沉位移补偿的同时要保证补偿缸工作压力的稳定,以保证钻压的恒定[2]。因此,动力机构的压力变化是钻柱升沉补偿系统亟需解决的一个难题。本文以一个电液比例阀控缸位置伺服实验系统为对象,研究减小非匹配三位四通阀控缸动力机构的压力变化方法。

　　1　实验系统

　　图1所示的系统主要由泵1、溢流阀2、电磁比例方向阀3、液压缸4、光栅尺5及工控机等组成。液压缸的缸径D=50 mm,杆径d=35 mm,行程S=250mm,有杆腔与无杆腔的面积之比ia=A1/A2=1. 96。电液比例方向阀为34B-H10/25B型对称阀,其两个油口A和B的面积梯度比为1。系统负载约为100 kg。泵的公称排量10 mL/r,额定压力为6.3MPa;由Y90L-4(1400 r/min, 1.5 kW)型电机驱动。光栅为KA-300型线性光栅尺,配有SDC-2四通道高速数据采集卡。

　　系统的功能就是让液压缸带着负载在重力方向上按一定规律上下运动,实现预定的运动轨迹,如简谐运动。系统的控制框图如图2所示。在某个时刻,工控机通过光栅尺5读入液压缸活塞杆的当前位移yo,然后与此刻期望的位移yi进行比较,得到一个位移偏差e。工控机里的控制器根据偏差e和给定控制策略计算出输入给比例方向阀3的控制电压。在控制电压的作用下,泵1就通过阀3向液压缸的下油腔或上油腔供油,使液压缸活塞杆运动至所期望的位置。因此,这是一个典型的液压位置伺服控制系统。

　　2　工作压力的变化和解决办法

　　基于功率键合图和simulink,建立了实验系统的过程仿真模型。该仿真模型能充分考虑液压系统中的死区、饱和等非线性因素,以及系统的参数时变。可以实现系统的动作过程的仿真,可同时对系统中的各个参数进行仿真[3]。图3为利用该仿真模型对实验系统进行仿真所得到的曲线,图3a为实验系统的位置跟踪仿真曲线,图3b为同一次仿真中的缸的工作压力仿真曲线。p2为有杆腔的压力,p1为无杆腔的压力。负载为100 kg,供油压力为5. 6 MPa,采用了前馈控制,比例阀死区设为15%,死区补偿电压为1. 5 V,背压设为0. 5MPa。

　　图4为实验系统的一次实验曲线,图4b中的曲线p2和曲线p1为用压力传感器实测出的实验系统在做正弦位移运动时缸的工作压力曲线。