以高速开关阀为先导阀的锥阀性能研究

    0 引言[1]

    高速开关电磁阀作为液压系统数字化控制的方向之一,自从20世纪80年代问世至今,因其价格低廉、抗污染能力强、工作可靠、重复精度高、成批产品的性能一致性好,因此得到了广泛地应用。由于高速开关阀本身结构限制而允许通过的最大流量较小,因此由高速开关阀构成的液压系统的调速范围较小。但是如果将高速开关阀作为一个先导阀控制一个逻辑锥阀,则有可能进行较大流量的比例控制。本文较详细地分析了这种高速开关阀控逻辑锥阀的性能。

    1 系统建模

    1.1 工作原理

    图1是以一个HSV系列高速开关阀为其先导阀的逻辑锥阀系统原理图。图中1是内带有阻尼孔的逻辑锥阀, 2是高速开关电磁阀。当高速开关阀断电时,高速开关阀处于关闭的位置,锥阀控制腔压力p₁与锥阀进油口压力ps相等,通过锥阀阻尼孔和高速开关阀的油液为零,控制腔油液封闭不流动,此时锥阀关闭。当高速开关阀通电时,高速开关阀处于打开状态,控制腔油液通过高速开关阀流回油箱,由于控制腔压力p1下降,锥阀芯开启。由于高速开关阀是采用PWM控制,通过调节调制率D的大小,可以改变通过高速开关阀的流量,进而得到不同的控制腔压力,从而实现对通过锥阀流量的调节。

    1.2 系统的动态建模[2-3]

    高速开关阀在一个脉冲周期内,导通时间为Ton,关闭时间为Toff,占空比。由于高速开关阀脉冲频率很高,所以不会出现负载压力不稳定振荡[4]。

    通过高速开关阀的平均体积流量:

式中: Cd为高速开关阀的体积流量系数; w为高速开关阀的面积梯度,m; xm为高速开关阀的阀芯最大开口度,m;U为高速开关阀的半锥角; p₁为锥阀控制腔压力,Pa; Xv为高速开关阀的无因次平均位移。

    高速开关阀的无因次平均位移为:

式中: D为高速开关阀的调制率;S₁、S₂、S₃、S₄、Son和Soff分别是高速开关阀的无因次化的电磁铁电流增长到阀芯可以移动的滞后时间、阀芯开启运动时间、电磁铁电流衰减到阀芯可以移动的时间、阀芯关闭运动时间、阀芯开启滞后时间和关闭滞后时间。

    图1所示的逻辑锥阀采用阀芯带有阻尼孔的常闭锥阀。锥阀控制腔通过阀芯阻尼孔与油源相连,通过阻尼孔流入控制腔的流量为:

式中: d₁₁为锥阀芯阻尼孔直径,m;L为动力粘度,Pa.s; l为锥阀阀芯阻尼孔长度,m; ps为油源压力,MPa。

    锥阀控制腔压缩引起流量: