匹配的不对称阀控制不对称缸液压系统的研究.pdf

研究与开 D OI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 0 9 匹配的不对称阀控制不对称缸液压系统的研究 肖世耀 ，司振 军 1 ． 广东轻工职业技术学院机 电工程系，广东广州 5 1 0 3 0 0 ；2 ． 广州十工液压科技有限公司，广东广州 5 1 1 4 3 1 摘要针对非匹配的不对称阀控缸液压系统本身存在的弱点， 提出了匹配的不对称阀控制不对称液压缸的控制方法，并对匹配 的不对称 阀控缸液压 系统的的压力和流量特性进行研究 ，理论研 究和仿 真结 果表明 采用 匹配的不 对称 阀控制不对称液压缸控 制方法可以很好的解决压力突变及动静态性能不对称性问题，有利于提高了液压控制系统的稳定性。 关键词不对称阀；不对称缸；压力突变 ；动静态性能 中图分类-N - T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 51 1 0 0 3 3 0 4 Re s e a r c h o n Hy d r a u l i c S y s t e m o f M a t c h e d As y mme t r i c Va l v e Co nt r o l l i ng As y mm e t r i c Cy l i n de r XI A0 S h i y a o 。 ．S I Z h e n i u n 1 ．S c h o o l o f El e c t r o - me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Gu a n g d o n g I n d u s t r y T e c h n i c a l C o l l e g e， Gu a n g z h o u 5 1 0 3 0 0 ， Ch i n a ； 2 ． G u a n g z h o u T e n - U n i o n Hy d r a u l i c S c i e n c e T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，G u a n g z h o u 5 1 1 4 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T hi s pa p e r a n a l y z e s t h e we a k n e s s o n u n ma t c h e d a s y mme t ric v a l v e c o n t r o l l i n g a s y mme t ri c c y l i n d e r， p u t s f o r wa r d t h e c o n t r o l me t h o d s o f ma t c h e d a s y mme t ric v a l v e c o n t r o l l i n g a s y mme t r i c c y l i n d e r a n d d o e s r e s e a r c h o n p r e s s u r e a n d flo w c h a r a c t e ris t i c s o f i t ． T h e t h e o r e t i c a l s t u d y a n d s i m u l a t i o n r e s u h s s h o w t h a t t h i s c o n tr o l me t h o d c a n w e l l s o l v e t h e p r e s s u r e j u m p d y n a mi c and s t a t i c p e r f o r ma n c e a s y mme t r y p r o b l e m ，a n d i mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f t he h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m． Ke ywo r d s a s y m me t ri c v a l v e ；a s y mme t r i c c y l i n d e r ；p r e s s u r e j u mp ；d y n a mi c a n d s t a t i c p e r f o rma n c e 0 前言 不对称液压缸具有结构 紧凑 、加工容易 、安 装方便等优点n ，因此它在液压位置 ／力伺服系统 中得到了广泛的应用[ 2 】 。目前 ，在液压位置 ／力伺 服系统中 ，伺服 阀节流 口的通流面积之 比一般为 1 1 或 l 2 ，而不对称液压缸受安装位置等条件的 限制 ，其无杆腔与有杆腔活塞 面积之 比在一个很 广的范围内变化 ，这就使 得在很多情况下二者 的 比值不相等 ，即伺服阀与液压缸不具有匹配性 。 非匹配的阀控缸液压系统在运行 的过程 中在正反 方 向上的速度特性及动态特性不 同，导致 了系统 正反方向上的动静态特性存在差异 。 本文针对非匹配的不对称 阀控缸液压系统本 身存在的弱点 ，提 出了匹配的不对称阀控制不对 称液压缸的控制方法，并对匹配的不对称阀控缸 液压系统 的的压力和流量特性进行研究 ，理论研 究和仿真结果表明 采用匹配 的不对称 阀控制不 对称液压缸控制方法可 以很好 的解决压力突变及 动静态性能不对称性 问题 ，有利于提高液压控制 系统的稳定性 。 1匹配不对称阀控制不对称缸的定义 图 1 所示 的是不对 阀控制不对称液压缸原理 图。液压缸左腔 的面积为A ，压力为 P ；右腔的 面积 为A ，压力为 P 2 。设 A 、A 分别 为伺 服阀节 流口A、B的通流面积 ，无杆腔与有杆腔活塞面积 之 比为 。， 则 。 A 。 ／ A ；阀的 A、B节流 口的节 流面积之 比为 j ，则 。 A 。 。如果 。 ≠1 ，则该 阀为不对称阀； 。 ≠1 ，则该液压缸为不对称液压 缸 ；如果 ≠1 ，i ≠1 t ， i ，则称为匹配的不对 称阀控制不对称缸。 }广东轻工职业技术学 院校级科 技类项 目 编号 K J 2 0 1 4 0 2 收 稿 日 期 。 一 ∞ 一 。 二 垂 [ 研究与开发 图 1 不对 阀控制不对称液压缸原理图 2匹配的不对称阀控缸的性能研究 2 ． 1伺服阀处于右位时 伺服 阀阀芯处 于右位时 ，如 图 2 a 所示 ， 节流 口 P A， 7 1 处于工作状态 。液压缸活 塞杆在压力油的作用下推动负载向右运动。根据 薄壁d f L 流量公式 r Q C 。A f 1 ’ ‘ P 式 1 中A ， ，△ P 小孑 L 通流截面的面积 和两端的压差 ； L 流量 系数 ； P液压油密度。 于是可 以得到通过节流 口 流量与其压降的关系 J 、／ 阀芯处于右位 尸一 A， 的 b 阀芯处于左位时 图2 节流口流量与压差关系 2 3 理论条件下 ，当 △ p 。 卸 时 ，即在节流 口 P A，B 压降相等条件下，通过它们的流 量要满足如下关系 瓮 4 2 ． 2伺服阀处于左位时 伺服 阀阀芯处于左位时 ，如图 2 b 所示 ， 节流 口 尸一 ， A_ 处于工作状态。液压缸活 塞杆在压力油 的作用下 推动负载 向左运动。同理 可 以得到通过节流 口 尸一 ，A- 的流量与其 压降的关 系。 ． 5 ～ ／ 6 当 △ p 时，即在节流口P 日，A 压降相等条件下 ，通过它们的流量要满足如下关 系 。 屯A Q P a P 8 h 7 由于非对称液压缸两腔的有效截面积不同， 当非对称液压缸活塞在相反方 向运行 时 ，在相 同 速度下 ，通过伺服阀节流口的流量是不相同的。 为了使液压缸在换向时不产生压力突变，则要求 活塞在正反方 向运行 时具有相 同的速度 。忽略液 压缸和阀的泄漏 以及假设液压油不可压缩 ，可得 活塞具有相同速度的条件为 Q 口 r Q r A2 一 A1 QP A QP B A1 一 A2 联立公式 3 、 6 、 8 可得 A √ △ p A a --． T √ △ p A2 A1 联立公式 2 、 5 、 9 可得 A P _ A √ △ p 1 A P 一 8 √ △ p 3 Al A2 当△ p 1 。 △ p 时 ， 根 据 式 1 0 AA r 。 A 口 r； 根据式 1 1 A P A √ A P B。 8 9 1 0 1 1 得 得 3匹配的不对称阀控缸的仿真验证 为 了验证 匹配不对的阀控缸液压系统所具有 肖世耀 等匹配的不对称阀控制 不对称缸液压系统的研究 研究与开 的性能 ，利用液压仿 真软件 A E Ms i m对其动态特 性进行了仿真研究 ，所建立的匹配的不对称阀控 缸仿真模型如 图3 所示。 图3 匹配的不对称阀控缸仿真模型 模型中的各元件均采用了A E M s im的标准元 件库 的子模 型 。在 A E Ms i m的参 数模 式 P a r a me ． t e r s m o d e - ，设置系统主要元件的仿真参数如表 1 所示，伺服阀的仿真参数如表2 所示。 表 1 系统主要 AE MSi m仿真参数 流量、 压降 流 量 节流口 压降 节流口液流方向 1 ／ rain b a r 伺服阀的控制的信号通过线性信号源给定 ， 每0 ．6 秒改变控制信号的方向；负载由由线性信号 源设定为 2 0 0 0 N 模拟重力负载 。设置好所有 元件 的参数后 ，进人到 A E Ms i m的运行模式 R u n m o d e 1 ，设 置仿 真时 间为 3 ．6 秒 、仿 真步 长为 0 ． 0 1 、按 照单步运行 的运行方式开始仿真 。于是 可 以得到 ，匹配不对称 阀控缸系统液压缸 的位移 曲线和速度 曲线 ，分别如图4 、图5 所示。 图4 匹配的不对称阀控缸系统活塞杆的位移曲线 图5 匹配的不对称阀控缸系统活塞杆的速度曲线 通 过液 压缸 的位移 曲线 图 4 可 以看 出 ， 液 压缸在正反方 向运动时保持 了很好 的对称性 ； 通 过液压缸 的速 度曲线 图 5 可 以看 出 ，液压 缸在正反方向运动时速度大小基本上相等 ，这表 明液压缸在换 向的时候 ，活塞杆腔和活塞腔几乎 没有压力冲击 ，克服了液压缸活塞杆运动方向变 化 时液压缸两腔的压力突变。 通过仿真还可以得到伺服阀的详细仿真结 果 ，包括各节流 口的面积 、通过各节流 口的流量 和压降。具体数值如表3 所示。 由 3 可以看 出 ，伺服 阀的节流 口的面积的 比 例关系与公式 1 0 、 1 1 保持了很好的对应关 系 A A 8 A 口 r、 A P A 1 ． 9 9 5 A P 日，正是保 持这种比例关系才实现了液压缸在正反方向运动 与开发 表 3 伺服 阀节流口的的仿真 结果 时速度大小相等。 为了与 以上仿真结果对照 ，更改表 2中伺服 阀各节流 口的参数 ，使之变成对称 的伺服阀 ，只 需要使通过节 流 口B T、P B、A T的流量 和 压 强 与节 流 口 P A相 同 流 量 8 0 l ／ mi n 。压 降 1 0 b a r ，得到的仿真模型变成了非匹配的对称伺 服 阀控制不对称液压缸仿真模型。在 只改变伺服 阀的参数条件下 ，同样可 以得 出液压缸在正反方 向的运动 的位移和速度 曲线 ，如图 6 、图7 所示 。 图6 对称阀控制不对称缸系统活塞杆的位移曲线 图 7 对称阀控制 不对称缸 系统 活塞杆 的速度 曲线 通过分析 图 6 、图7可以很 明显 的看 出液 压缸在 正反方 向运动时不具有对称性 ，正反方 向运动的 速度相差也很大 ，在换 向的时候 ，液压缸两腔讲 产生较大的液压 冲击 ，不利于液压缸运行 的稳定 性 。 对 比图 4 、图5与图 6 、图7可 以很清楚 的看 出 ，不对称液压缸采用与之相匹配 的不对称伺服 阀控制，液压缸具有优良的动态性能，保持了很 好 的对称 性 ；不对称 液压 缸采用 对称 伺服 阀控 制 ，液压缸 的动态性能很差。 4结论 通过以上的分析与仿真结果对 比可以很看 出 采用 匹配 的不 对称伺 服 阀控制不 对称 液压 缸 ，当伺服阀换 向时 ，液压缸两腔不会产生压力 突变现象 ；液压缸在正反方向运 动时保持了很好 的对称性 ，速度特性相 同，即输入 幅值大小 相等 的控 制信号时 ，正反两个 方 向的速度是相 同的 ， 这对液压系统的开环控制来说 ，尤为重要 。 在实际的选择伺服阀控制液压缸运动的过程 中，要尽可能使阀和缸具有匹配性 ，在运动控制 精度要求高 的场合显得尤为重要 。当然 ，为了使 阀和缸具有匹配性 ，很多时候要 求与伺服 阀的生 产厂家联系单独订货 ，这就增加 了伺服 阀制造成 本。 参考文献 [ 1 ]王进华． 控制单活塞杆液压缸的不对称伺服阀 [ J ]． 液压与 气动 ，1 9 9 2 4 1 8 1 9 ． [ 2 ]刘荣，王宣银 ，吴根 茂． 广义脉码调 制阀控制非对 称缸 动 力特性研 究 [ J ]．中国机械 工程 ，2 0 0 4， 1 5 2 1 5 4 1 5 6． [ 3 ]王栋梁，李洪人 ，张景春． 非对称阀控制非对称缸的 分析研究 [ J ]． 山东建材学院学报 ，2 0 0 1 ，1 5 2 1 23-1 2 7． [ 4 ]张业建，李洪人． 非对称缸系统液压缸两腔压力特性 的研究 [ J ]． 机床与液压，2 0 0 0 5 6 3 6 4 ． 第一作者简介 肖世耀 ，男 ，1 9 8 2 年生，湖北麻城人 ，硕 士研究生，工程师。研究领域机电一体化技术。 编辑 阮毅 囊 霜魏 蕊 爱锺 一 戮 鳓 囊 秘 錾 黧 巍 糯 黧 潼 濑 糍 ⋯ 一 瓣 黼 潮 黼 ⋯ 菇 瑰