夯实机液压系统中插装阀阀芯位置控制与仿真分析-.pdf

第 1 1卷第 1期 2 0 1 3年 2月 中国工程机械学报 C H I N E S E J O U R N A L O F C ON S T R UC TI O N MA C HI NE R Y Vo I ． 1 1 No ． 1 Fe b．2 01 3 夯 实机液压 系统 中插装 阀阀芯位置控制与仿 真分析 司癸卯 ， 孟小净 ， 周加永 1 ． 长安大学 道路施 工技术 与装备教育部重点实验室 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ； 2 ． 西北机 电工程研究所 ， 陕西 咸 阳7 1 2 0 9 9 摘要阐述了快速液压夯实机液压系统中插装阀的功能和工作原理 ， 提出了以电磁换向阀为先导阀的插装阀阀 芯位置控制策略， 并应用 MA T L ／ S i mu l i n k软件对插装阀进行建模仿真分析． 关键词 夯实机； 插装阀； 位置控制； MA T L A B ／ S i mu l i n k ； 仿真分析 中图分类号 U 4 1 5 ． 5 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 3 0 1 0 0 5 1 0 4 Pos i t i onal c o nt r ol a nd s i m ul a t i o n anal ys i s o n c a r t r i dg e v a l v e s po ol f or t am pe r hy dr a ul i c s ys t e m s S I G u i ma o ， ME NG X i a o - j i n g ， Z HOUJ i a 一 1． Ke y La b o r a t o r y f o r Hi g h wa y Co ns t r u c t i o n Te c h n i q u e a n d E qu i p me nt o f Mi ni s try o f Ed u c a t i o n， Ch a ng a n Un i v e r s i t y ， Xi a n 71 0 0 6 4， Ch i n a； 2． No r t h we s t I n s t i t u t e o f Me c ha n i c a l El e c t r i cal En g i n e e r i n g， Xi a n y a n g 7 1 2 0 9 9， Ch i na Ab s t r a c t Th e f u n c t i o n s a n d wo r k i n g p rin c i p l e s o f c a r t r i d g e v a l v e i n h i g h - s p e e d h y d r a u l i c t a mp e r s a l e f i r s t d e s c ri b e d ． Th e n， a p o s i t i o n a l c o n t r o l s t r a t e g y f o r c a r t r i d g e va l v e s p o o l p r o c e e d e d b y ma g n e t i c e x c h a n g e val v e i s p o s t u l a t e d ． F i n a l l y ， t h e m o d e l i n g a n d a n a l y s i s o n c a r t r i d g e v a l v e v i a MA T L A B／ S i m u l i n l ． Ke y wo r d s t a mp e r ； c a r t r i d g e v a l v e ； p o s i t i o n a l c o n t r o l ； MA T L A B ／ S i mu l i n k ；s i mu l a t e d a n a l y s i s 快速液压夯 实机是专为地基补强压实和松铺 压实设计制造的高效液压夯实设备． 它的基本工作 原理是 从液压动力源来的高压油通过油管进入液 压缸 ， 夯锤在重力 和液压力 的共 同作 用下快速下 落 ， 对土壤进行夯实． 根据不 同的作业要求 ， 可以选 择不同的下落高度来满足实际工况的需求． 夯锤 的 下落速度要尽量快， 这样才会产生足够的冲击力来 满足工况的要求[ 1 ] ． 为此液压 系统采用大流量的电 磁换向插装阀， 插装阀采用“ 电磁换 向阀 主阀” 的 控制形式 ． 二通插装 阀结构及工作原理 路的通 口， C是油路 的控制 口． 当 A口和 B口的作 用力之和大于 C口处的作用力与弹簧力之和时， 阀 芯就会开启 ， 反之阀芯就会关 闭． 如果改变 C口的 压力 ， B口的输出压力就会随之发生变化 引． 图 1 是夯实机的液压系统图 ， 图 2是插装阀基 本插件的结构原理图和相对应的液压职能符号 ． 图 2中， P为压力 ，P A ， P B ， P c为 A， B， C三腔的工作 压力． 插装阀基本插件是先导型插装阀的主级或者 功率级的主体元件， 它由阀芯、 阀套、 弹簧以及密封 件组成 ， 其主要功能是用来控制液压系统主油路 中 F i g ． 1 油液的压力、 方向与流量 ． 其 中 A口与 B口是 主油 1 ． 油箱；2 ． 过滤器；3 溢流阀；4 泵； 5 ． 蓄能器；6 ． 液压缸；7 ．换向阀；8 插装阀 图 1 夯 实机液压 系统原理 图 S c he ma t i c d i a g r a m o f t a mp e r h y d r a u l i c s y s t e m 作者简介 司癸卯 1 9 6 3 一 ， 男， 副教授， 工学博士． E ． m ia l s m a r t c h d ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 工稗机械学报 第 u 卷 A 1 阀体；2阀芯；3弹簧 图 2 插装 阀基本组件 Fi g ． 2 Ba s i c c o m p o n e nt s o f c a r t r i dg e v a l v e s 2 插装 阀数学模 型的建立 夯实机的液压系统采用 了电磁换 向插装 阀． 通 过对研究电磁换向插装阀接受电信号后插装阀主阀 阀芯的动态响应情况， 来研究夯实机的动态特性． 电 磁换向插装阀的建模 ， 即利用先导阀的位移 X作为 输入信号， 以此来研究主阀阀芯的位移与速度[ 3 ] ． 先导阀的流量方程为 Q l C d x ， 一 x √ p c P t 1 式中 Q． 为先导阀的流量 ； C 为阀 口流量系数 ； X 。 为阀j 芷 的转换位置 ； X为先导 阀阀芯位移 ； lD为油 液的密度 ； P 为控制 口低压 ， P ≈0 ． 控制体的流量连续方程为 A 一Q 一面71 0 整 理得 A1 一Q1 E 2 式 中 A 为主阀控制腔的有效作用面积； 为主阀 芯位移； 为控制体体积 ； E 为液体体积 弹性模 量； P 为控制体的压力． 如果不考虑主阀阀芯上的液动力， 插装 阀主阀 阀芯主要受进 口压力、 出u压力 、 弹簧力 、 控制体的 压力以及阻尼黏性力的作用． 由主阀阀芯的力学平 衡方程得 B K。 Y P A AA P B AB P1 Al 3 式中 m 为主阀阀芯质量 ； B为主阀阀芯的黏性阻 尼系数 ； K 为弹簧刚度 系数 ； A 为主 阀阀芯 的下 截面面积； A 为主阀出r _1 腔的有效作用『 自 i 积． 电磁换向插装阀建模 的关键之处住 于选定系 统的状态变量l 4 I ． 根据系统 的需要来建立相关的数 学模 型， 选定 状态 变量 为 X ， 一X， P ， ， 。 ． 根据式 1 3 ， 就可 以得 出先 导 控制插装阀的状态空问模型 f 。 一 C a √ 詈 1 ． 。 l z 。 【 m 乏 3 B 3 Ks 2 PA AA PB AljA1 l 4 根据式 4 ， 输入已知的系统参数 ， 就可以相应 求出系统的状态变量． 状态空间的建模 町以解决系 统存在的非线性化对建模的一些影 响， 避免 l『线性 化的一些缺点 ， 因此适合于电磁换 向插装阀数学模 型的建立 ． 3 插装 阀阀芯 位 移动 态 响应 特 性 仿 真分析 根 据 所 建 立 的 数 学 模 型， 用 MA T L A B ／ S i mu l i n k来建立所需要 的仿 真模型 j ． 由式 4 町 以建立先导插装阀阀芯位移的仿真模 型， 如图 3所 示． 图 3中， C 为 作 用 在 阀 芯 的 压 力； F 为 MA T L A B ／ S i mu l i n k中的函数模块 ， 实现 一个数学 函数； 表示积分环节； 在 M A T L A B ／ S i m u l i n k中 代表 了 z ； K 代表的例环节 中的不同数值 ． 图 3 中，输 入“ s t e p ” 为对应 先导 阀阀芯 的位移 ； 输 出 “ d i s p l a c e me n t ” 为插装 阀阀芯的位移 ； “ s p e e d ” 为捅 装阀阀芯 的速度 ； “ p r e s s ” 为液压 油 的压 力． 通 过 MA T L A B ／ S i mu l i n k建模仿 真， 可得 到插装 阀的主 阀位移与速度的动态响应特性曲线． 本夯实机液压系统 中所选用 的插装阀 的型号 为 L C 4 0 ， 其公称通径为 4 0 mm． 此插装 阀的主要参 数如表 1 所示 ． 表 1 插装 阀参数 Ta b ． 1 Ca r t r i d g e v a l v e p a r a me t e r s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 司癸卯 ， 等 夯实机液压系统中插装 阀阀芯位置控制 与仿真分析 图 3 先导插装阀 阀芯位移仿真模型 图 Fi g ． 3 Si mu l a t i o n mo d e l c ha r t o f t h e p i l o t c a r t r i d g e v a l v e s p o o l d i s p l a c e me n t 表 1中， Ac为主阀阀芯的上截面面积 ； m 为 阀芯质量； K。 为弹簧刚度 ； P 为弹簧开启压力． 当给系统 阶跃信号输入时， 输 出的主阀位移及 速度 曲线如图 4和图 5所示 ． 从 图中可 以看出， 插 装阀响应表现 了一定的振荡特性 ， 开启需要一定的 时间来 调节 ， 调 节时 间为 O ． 1 S左 右 ， 超 调量 为 5 ． 1 8 ％左右 ， 基本上能满足该系统的要求． 适当地调整插装阀件和先导阀之间的液压管道 ， 使 插装 阀能 够在较 短时 间内获得 较为稳 定输 的 出 流量 ． 0． 1 02 0 _ 3 0 ． 4 0 ． 5 时间 ／ S 图 5 主 阀阀芯速度 曲线 Fi g ． 5 Ve l o c i t y c u r v e o f t h e m a i n v a l v e s p o o l 0 1 O．2 0 3 0．4 0 ． 5 时间 4 结论 图 4主 阀阀 芯 位 移 曲线 Fi g ． 4 Di s p l a c e me n t c u r v e o f t h e m a i n v a l v e s p oo l 插装 阀动态响应 曲线 的主要影 响因素包括进 出油 口的压力 P ， P e ， 控制体的体积 以及系统 的阻尼系数等． 改变控制体 的体积 的大小 ， 就 会得到在不同控制体体积下的插装 阀动态响应的 仿真 曲线 ． 1 分别取 2 0 C I T I 。 和 2 5 C I T I 3时， 插装阀 的动态响应曲线分别如图 6和图 7所示 ． 由图 6和图 7可看 出， 插装 阀 的控制体积增 大 ， 响应超调量就会减少， 但是峰值时 问与稳态时 间基本上没有发生改变 ． 在设计液压系统时， 可以 1 为了达到夯实机下落的快速性要求 ， 提 出 了以电磁换向阀为先导 阀的插装 阀阀芯位置控制 策略， 实践证明该控制策略可行 ． 2 采用状态空问法对插装阀的数学模型进 行分析 ， 并建立了插装阀的相关数学模型 ． 3 通过对插装 阀位移动态响应特性进行的 仿真分析 ， 可看出系统对阶跃信号的响应的时间在 0 ． 1 S 左右 ， 超调量为 5 ． 1 8 ％左右 ， 基本上能满足 该系统的要求 ． 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 暑I I I ＼ 牮 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O ⅢⅢ ＼ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 1 卷 参考文献 2 O 1 8 1 6 l 4 g l 2 g 8 6 4 2 0 g 吕 ＼ 时间 ／ S a 6 O 5 0 40 圣3 0 2 O 1 O O l 0 O O． 1 O-2 O 3 0．4 0 5 时间 ／ S b 图 6 V。 2 0 c m3时插装 阀的响应 曲线 Fi g ． 6 Re s p o n s e c u r v e o f c a r t r i d g e v a l v e wh e n Vl2 0 e n e 0 1 O 2 O-3 0_4 O ． 5 时问 ／ S a 时间 ， S b 图 7 V 2 5 c n l a时插装阀的响应 曲线 Fi g ． 7 Re s po n s e c u r v e o f c a r t r i d g e v a l v e wh e n Vl 2 0 e m3 [ 1 ] 王进， 马军星． 液压高速夯实机及其应用I- J ] ． 压实机械与施 工技术， 2 0 0 6 ， 2 3 1 5 1 5 3 ． WAN G J i n ， MA J u n x i n g ． Hy d r a u l i c h i g h - s p e e d ta m p e r a n d i t s a p p l i c a t i o n 口] ．C o mp a c t i o n Ma c h i n e r y C o n s t r u c t i o n Te c h n o l o g ， 2 0 0 6， 2 3 1 5 1 5 3． [ 2] 李百烁． 二通插 装阀 的结 构、 原理 及其 在 液压 机上 的应 用 E J ] ． 锻压装备与制造技术 ， 2 0 0 9 ， 4 4 5 7 67 9 ． LI Ba i s h u o ． Two wa y c a r t r i d g e v a l v e s t r u c t u r e ， p r i n c i p l e a n d i t s a p p l i c a t io n i n h y d r a u l i c p r e s s E J ] ． E q u i p m e n t ， 2 0 0 9 ， 4 4 5 7 67 9． [ 3 ] 庞积伟． 插装阀数学模型的建立及其动态仿真研究[ J ] ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 1 ， 3 0 6 1 4 1 7 ． P A N G J iwe i ． Ma t h e ma t ic a l mo d e l i n g a nd d y n a mi c s i mu l a t i o n o f c a r t r id g e v a l v e [ J ] ． Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g in e e r i n g Te c h n o l o g y， 2 0 0 1， 3 0 6 1 41 7． [ 4] 董敏． 二通插装 阀动态特性 的仿 真与研究 l J ] ． 液压 气动与 密封 ， 2 0 0 1 ， 2 1 1 3 4 3 7 ． D0NG Mi n ． Th e s i mu l a t i o n a nd s t u d y o f d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t wo - wa y c a r t r i d g e v a l v e[ J ] ． H y d r a u l i c s Pn e u ma t i c s＆ S e a l s ， 2 0 0 1， 2 1 1 3 43 7． [ 5 ] 李颖． 薛海斌． S imu l i n k 动态系统建模与仿真[ M] ． 西安 西 安 电子科技大学 出版社 ， 2 0 0 9 ． LI Yi n g，XUE Ha i b i n．Dy n a mi c s y s t e m mo d e l ing a n d s i mu l a t i o n o n s i mu l i n k[ M ] ．X i a n X i d i a n U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 9． 一 I _ ∞ Ⅲ ＼ 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m