数字液压缸阀芯特性研究.pdf

2 0 1 2年 1 0月 第4 0卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S Oc t ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 0 ． 0 1 9 数字液压缸阀芯特性研究 彭利坤 ，宋飞，邢继峰 ，付鹏岗 海军工程 大学船舶与动力学院，湖北武汉 4 3 0 0 3 3 摘要阀芯特性是影响数字液压缸准确性与稳定性的重要因素。以数字液压缸的滑阀阀芯为研究对象 ，通过建立圆柱 滑阀、矩形槽滑阀和锥形滑阀3种典型滑阀过流面积的数学模型，并结合数字液压缸 A M E S i m仿真模型对 3种阀芯的特性 进行对比分析，研究 3种滑阀对该型数字液压缸特性的影响，为该型数字液压缸滑阀阀芯的设计、选择及优化提供了参考 依据。 关键词数字液压缸；阀芯；特性 中图分类号T M 7 4 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 00 6 2 4 Re s e a r c h o n Va l v e Pl u g Pr o p e r t y o f Di g i t a l Hy dr a u l i c Cy l i n de r P E NG L i k u n，S ONG F e i ，XI NG J i f e n g，F U P e n g g a n g C o l l e g e o f N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d Ma r i n e P o w e r ，N a v a l E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 3 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r o p e y o f v a l v e p l u g i s t h e ma i n f a c t o r a f f e c t i n g t h e s t a b i l i t y a n d a c c u r a c y o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ai mi n g a t r e s e a r c h o f s l i d e v a l v e p l u g o f d i g i t al h y d r a u l i c c y l i n d e r ，t h r o u g h e s t a b l i s h i n g t h e ma t h e ma t i c al mo d e l o n a r e a o f p a s s a g e o f t h r e e t y p e s o f s l i d e v a l v e ，R a m 由 c y l i n d r i c al s l i d e r v a l v e ，r e c t a n g u l a r r a b b e t s l i d e r v alv e a n d c o n i c a l s l i d e v al v e ，a n d c o m b i n e d w i t h c o m p a r i n g a n a l y s i s t o t h e t h r e e k i n d s o f v alv e p l u g p r o p e y b y AME S i m s i mu l a t i o n mo d e l o f d i st al h y d r a u l i c c y l i n d e r ，t h e e f f e c t s o f t h r e e k i n d s o f s l i d e v alv e t o t h i s t y p e o f d i g i t al h y d r a u l i c c y l i n d e r p r o p e r t y we r e a n aly z e d ．T h e r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n，s e l e c t i o n a n d o p t i mi z a t i o n o f s l i d e v alv e p l u g o f d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r a r e p r o v i d e d ． Ke y wo r d s Di g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ；Va l v e p l u g；P r o p e y 随着 微 电子 等相 关技 术 的发 展 ，步 进 电动 机与 某些 液压零 件相组合 构 成 的数字 式 液压缸 、数 字液 压马达 、数字伺服阀等数字式机电液一体化装置不 断涌现。 ． 这类装置大多结构紧凑易于操作 ，但设计 较为困难 。以数字液压缸为例 ，其使用极 其简单 ， 对使 用者 而 言 近似 于 “ 开 环 控 制 ” ，但 设 计 复 杂 ， 一 旦制造完成后参数固定，无法调节 ，因此其设计 过程 就显得 尤为重要 。而 阀芯 是多 数数 字式 机 电液 一 体化的关键组成部分 ，阀芯设计对数字液压缸的 位移、流量及冲击等特性影响十分明显。但 阀芯形 面 的设计 是一项 复 杂 的工作 ，德 国 、美 国等发 达 国 家已采用调节阀阀芯形面的参数化设计技术，而国 内阀芯形面 的设 计 目前 仍 主要采 用 流量 试验 或 者修 形的方法 ，设计周期长、成本高、精度低 ，难以满 足现代化 生产发 展的需要 。 为了更方便 地研究 阀芯的形状特性 ，本 文采用专 业建模软件A M E S i m对数字液压缸系统进行建模，结 合不同形状阀芯的特性进行仿真分析，仿真结果体现 了阀芯 的形状及其其他特性对数字液压缸的影响 ，并 为阀芯设计与选择提供了参考依据。 1 数字液压缸系统工作原理及数学模型 1 ． 1 数字液压缸工作原理 数字液压缸结构原理如图 1 所示 。 图1 数字伺服步进液压缸结构原理图 其工作原理 为 在 微机 或 P L C发 出的正 向脉 冲 序列作用下，细分驱动器驱动步进电机旋转，步进电 机 又带动 阀芯旋转 。在 阀芯 左端 螺杆 螺母 副 的作 用 下，阀芯轴向左移，阀口打开 ，压力油进入无杆腔一 侧，活塞外伸；与此同时，与活塞连成一体的反馈螺 母也一 同运动 ，在滚珠丝杠反馈机构 的作用下 ，反馈 丝杆旋转 ，进而带动与其连接的螺母旋转，再通过螺 杆螺母副的作用推动阀芯轴 向右移 ，实现直接位 置负 收稿 日期 2 0 1 l一 0 9 2 1 作者简介彭利坤 1 9 7 5 一 ，男，博士研究生，副教授，研究方向为机电液控制与仿真、并联机器人技术等。Em a i l s o n g f e i 8 8 08 0 6 1 26 ．c o n 。 第 2 0期 彭利坤 等 数 字液压缸阀芯特性研究 6 3 反馈，阀口逐渐关小 ，直至关闭。当输入连续正向脉 冲信号时 ，步进电机连续旋转，活塞杆随之外伸。反 之 ，输入反向脉冲信号，步进电机反转，活塞反向内 缩 。 1 ． 2滑阀数 学模型 数字液压缸 系统采 用四边 对称滑 阀控制单 出杆式 液压缸 ，也即对称阀控制非对称缸系统。其活塞在两 个方 向上 运动参 数不一致 ，不能沿用对称 阀控制对称 缸的数学模型。可以采用阀芯正向位移 I0和阀芯 反向位移 0分别建模的方法。阀口流量方程为 J． A √ ≥ U 1 【 C a A √ 吾 p - 一 P o 0 j． A √ 2 【 c aA √ 吾 p s 一 ；p 0 式 中C 是 阀 I 1 流量系数 ；A为 阀 口的过流面 积 ；D 是阀芯直径；P 、P 。 是油源压力和 回油路压力；P 。 ， P 是无杆 腔和有杆腔压力 ；P是液压油密度 。 由于 阀芯形面不 同 ，圆柱 阀、矩形槽 阀及锥 阀的 阀口过流面积 A随开口 的变化各异。圆柱阀、矩形 槽阀及锥面 阀的阀 口过流 面积 A的数学模型分别为 A n b x ㈩ 富 式 中 D为滑阀直径 ；n为矩形槽个数 ； 为半锥角 ； 为阀 口开度 。以上 各参数 具体含义可参 考图 2 。 a 矩 形槽 滑 阀 b 锥面 滑 阀 图 2 矩形槽 滑阀与锥面滑阀 1 ． 3 数字液压缸整体仿真模型 A M E S i m软件因其在液压／ 机械系统建模仿真方 面的突出优势 ，逐渐成为液压／ 机械系统建模仿真的 主流软件。使用 A ME S i m软件搭建数字液压缸的系统 仿真模型如 图 3所示⋯ 。该模型能够详细地反映数字 液压缸 的液 压 及 机械 特 性 ，如 液压 油 可 压缩 、泄 漏、滑阀死区、摩擦力及螺纹间隙等。模型主要包括 5个部分 四通滑阀① ；液压缸②；螺杆螺母副③； 滚珠丝杠副④；供油系统⑤。 图 3 数字伺服步进液压缸仿真模型 1 ． 4 数字液压缸模型参数 r a d 正弦规律变化。液压缸模型的具体参数如表 1 设定数字液压缸从中位开始仿真，输入信号是步 所示。 进电机的角位移，信号按照4 0 0 s i n 0 ． 2 ,r r t 单位为 ， 6 4 机床与液压 第4 0卷 表 1 系统主要参数 项 目 参数名称 参数值 液压缸 反馈机构 液压油 圆柱滑阀 矩形槽滑阀 锥形 滑阀 活塞直径／ m m 活塞杆直径／ mm 活塞等效质量／ k g 最大静摩擦力／ N 库仑摩擦力／ N S t r i b e c k速度／ m s 黏性摩擦因数／ N m～ S 零 速区间／ m S 负 载／ N 螺杆螺母螺距／ m m r 滚珠丝杠导程／ m m r 减 速 比 密度／ k g m 体积弹性模量／ MP a 滑阀直径／ 咖 阀芯轴向开度／ ram 阀口流量系数 滑 阀死 IX／ m mm m 槽数 槽宽／ m m 倒角／ 。 圆台长度／ m m 2 仿真分析 2 ． 1 阀芯特性仿真对比分析 2 ． 1 ． 1 阀口过流面积及流量的对 比分析 图 4是 3种滑阀在液压缸运动过程中进油阀 口过 流面积的变化 曲线 ，阀 口首先打开 ，然后关 闭。通过 前 1 S 的仿真 曲线 可知 圆柱 阀过流 面积 梯度最 大 ， 锥形阀次之，矩形阀最小，与它们的数学模型是保持 一 致。矩形阀过流面积曲线相位滞后约0 ． 2 S 。 l 一 圆柱阀2 一矩形阀3 一锥形 阀 0 2 4 6 仿 真 时间 s 图4 滑阀的过流面积曲线 图 5是 滑阀一侧 回油 口流量变化 曲线 。可知 圆柱 阀与锥形阀的流量差别不大，基本保持一致；而矩形 槽阀的流量小 ，相位 滞后 约 0 ． 2 S 。通 过 以上对 比分 析可知 圆柱阀与锥形 阀的流量特性相似 ，矩形槽 阀 的过流面积小 ，导致其阀 口流量 小 ，降低 了系统的灵 敏度 ，进而导致 阀口关闭滞后 ，相位滞 后。 l 一 圆柱 阀2 一矩 形 阀3 一 锥 形 阀 4 6 8 1 0 仿 真 时间f ， s 图 5 阀口流量曲线 针对矩 形槽 阀的流 量较 小 的问题 进 行改 进 ，将 矩形槽增加至 1 0个和 1 2个。利用 A M E S i m软件 的 批处理 功能 得 到 的矩形 槽 滑 阀槽 数 ／ 7, 为 8 ，1 0 ，1 2 对应的过流面积曲线 和阀 口流量 曲线 ，如 图 6 、7 所示 。由图 6可 知 ，随着 矩形槽 数 目的增 多 ，滑 阀 的过流面 积增 大 ，过 流 面积 的相 位 则会 相 应 提 前 。 图 7显示 ，矩 形槽 数 目增 多 ，阀 口流 量增 加 ，曲线 相位相应 提前 。综 合 图 6和图 7来 看 ，矩形 槽 数 目 增多 ，滑 阀过流 面积增 加 ，阀 口流量 加 大 ，会 增 加 数字液压 缸系统 的反馈 灵敏 度 ，阀 口关 闭及 时 ，曲 线相位滞 后减小 。 l6 14 l n 8 2 1 o 一n l 2 0 2 4 6 8 1 o 仿 真 时间 s 图6 矩形槽滑阀过流面积曲线 2 ． 1 ． 2 阀口油压 的对 比分析 图8为与有杆腔一侧相连滑 阀阀口的压力曲线。 3 条曲线的走势一致 ，但矩形槽滑阀的相位明显滞后 约 0 ． 2 S ，滞后的原因在前面已经提到过。圆柱滑阀 的压力曲线波动明显 ，而矩形槽滑阀与锥形滑阀的压 力曲线较为平滑。对比三条曲线可知，矩形槽滑阀换 向时压力变化平稳 ，几乎没有波动 ；锥形滑阀次之 ， 圆柱滑 阀最差 。通过 以上分析可知 ，矩形槽滑 阀和锥 形滑阀都有改善系统压力波动的作用 ，但矩形槽滑阀 在换 向时的压力变化最为平滑。 砷 柏 0 I ． u I 哪． 1 一 嘲壤 Ⅱ匿 ∞ 咖 枷 一 一 巧 咖 彻 ㈣ 8 2 2 2 0 8 6 4 2 0 目 、 爆捌Ⅱ磨 6 4 2 O 8 6 4 2 O 叩／ 旧鼹 捌 Ⅱ匿 第 2 0期 彭利坤 等 数字液压缸阀芯特性研究 6 5 5 0 4 0 自 昌 30 删 2 0 媛 口 匿 l O 0 9 8 7 6 芝 5 4 害s 履2 l 0 一 l 0 2 4 6 仿 真时 间f ， s 图7 矩形槽滑阀阀口流量曲线 l 一 圆柱 阀2 一 矩 形 阀卜 锥 形 阀 4 6 8 10 仿真时间f ， s 图8 阀口油压 一时间曲线 2 ． 2 滑阀对数字液压缸特性的影响 2 ． 2 ． 1 滑阀对活塞运动速度的影响 图 9为液压缸活塞运动速度 曲线。圆柱滑阀对 应的速度曲线噪声最大 ，锥形滑阀次之 ，矩形槽滑 阀最小。圆柱滑阀与锥形滑 阀的速度曲线基本保持 同步，但矩形槽 滑阀对应的速度 曲线相位 明显 滞 后。图9中速度为 0处 出现 的短线 ，是 由于速度方 向变化时因螺纹间隙的存在导致的。可知圆柱滑阀 的短线最长，锥形滑 阀次之 ，矩形槽滑阀最小 ，矩 形槽滑阀由于流量较小 ，灵敏度下降，对换向时的 螺纹间隙不敏感 。 l 一 圆 柱 阀2 一 矩 形 阀3 一 锥 形 阀 0． 2 _ 一 目 越 眚 喃 l ig 4 6 8 l 0 仿真时间 s 图 9 液压缸活塞运动速度曲线 图 1 0为矩形槽 滑 阀槽 数 n为 8 、l 0 、1 2对应 的 液压缸活塞运动 曲线。3条速度曲线都较平滑 ，说 明矩 形槽 滑 阀 的减 噪 效 果很 好 。随着 槽 数 的增 多 ， 活塞的运动速度加快，则系统 的灵敏度增加 ，从而 导致曲线相位提前 ，这与前面的过流面积及流量曲 线一 致 。 4 6 8 10 仿 真 时 间f ， s 图 1 0 矩形槽滑阀活塞运动速度曲线 2 ． 2 ． 2 滑 阀对液压缸准确性 的影 响 图 1 1为液压 缸的步进 电机输 入 角位移 与活塞位 移对应曲线。曲线环越平直说 明液压缸的线性度越 好，控制精度就提高。从图 1 1中可知圆柱滑阀的 线性度最好 ，锥形滑阀次之，矩形槽滑阀最差。矩形 槽滑阀虽然减噪的效果良好 ，但不能满足数字液压缸 对准确度的苛刻要求。锥形滑阀有一定的减噪效果， 可以抑制压力跃变，且与圆柱滑 阀的线性度相差不 多 ，可以满足数字液压缸的工作要求 ，优于其他两种 滑 阀。 宣 鑫 趟 椭 始 图 1 1 液压缸位移 一角位移曲线 图 l 2为矩形槽 滑 阀槽数 为 ／7 , 为 8 ，1 0 ，1 2对应 的液压缸步进电机输入角位移与活塞位移对应 曲线。 可知 随着矩形槽数 目的增加 ，活塞 的最大位移变 大，系统的线性度提高。但总的来说矩形槽滑阀的线 性度没有其他两种阀好 ，原因是由于其过流面积小， 流量小，使系统反应迟滞造成准确度下降。 下转第 8 4页 加 2 ∞ 窖 2 加 0 0 O O O O 0 O 0 O 0 卜 s ． 目v ， d 硝黼 蜒 2 m ∞ 窖 加 O O O 0 0 8 4 机床与液压 第 4 0卷 齿 圈节曲线极 坐标 参数 ，就 可以绘制 出该非 圆行星齿 轮液压马达 的节 曲线 图 ，并确定 n n 个行 星齿轮 的安装位置 ，如图 3所示 。 利用绘图软件 自身具有的封闭图形面积计算功 能，可以计算出图中非圆中心轮和非圆内齿圈节曲线 以及行 星齿 轮节 圆构成 的各油腔 面积 ，如 图4所示 。 图 3 行星齿轮 图 4 非 圆行 星齿 安装位置 轮 油腔面积 取其中最大一块和最小一块的面积值 A 一、A ， 通过下式可以计算出该非圆行星齿轮液压马达的面积 排量 q n l n 3 A m 一A 34 6 0 8 ． 6 1 6 3 2 5 3 ． 1 8 2 11 4 2 6 5． 21 mm ／ r 文献 [ 4 ]指出严格地讲 ，密闭腔的面积应该 是由各轮齿廓曲线包围的面积，但是按齿廓曲线计算 密闭腔面积计算十分复杂 。而按各轮节曲线来计算 密 闭腔的面积则可以使计算大为简化 ，而误差仅 0 ． 3 ％ 左右 。 然后根据对该非 圆行星齿轮液压马达的排量设计 要求 q计算出齿轮齿 宽 B q ／q 只要计算 出的齿宽在 允许范 围之 内 B 0 ． 5 d～ 2 d ，d为行 星 齿 轮 直 径 ，该 液 压 马 达 的 核 心 机 构 非圆行星齿轮传动设计便告结束 ，可以绘制出最 终的齿形 图。当行 星齿 轮 的齿 数 少 于 1 7个 齿 时 ，3 个齿轮均要 进行等移距变位 ，以保证既不发生行 星齿 轮根切 ，又保持中心距不变 ，最后根据行 星轮齿根 圆 的大小确定配油孔 的位置和大小 。 5结 论 介绍了非圆行星齿轮液压马达设计理论依据，将 优化设计的概念引入非圆行星齿轮液压马达系统设计 中，运用非 线性 目标规划方法建立数学模型 ，有效地 避免了传统设计 中反复试凑的繁琐过程 。 参考文献 【 1 】熊镇芹 ， 吴序堂， 高本河． 非圆行星齿轮液压马达参数设 计[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 5 5 05 2 ． 【 2 】吕 新生， 张哗． 机械优化设计 【 M] ． 合肥 合肥工业大学 出版社， 2 0 0 9 ． 【 3 】 李磊， 杜长龙， 杨善国． 基于 M a t l a b的非圆行星齿轮机 构节曲线求解[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 1 2 3 2 5 ． 【 4 】 李建生， 徐晓俊， 李华敏， 等． 非圆行星齿轮液压马达的 设计研究[ J ] ． 机械工程学报， 1 9 9 3 6 2 0 2 5 ． 【 5 】熊镇芹 ， 高本河， 吴序堂． 非圆行星齿轮液压马达的配流 设计研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 5 5 0 9 5 1 1 ． 【 6 l 李建生 ， 李华敏． 不同类型非圆行星齿轮液压马达的性 能分析[ J 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