负载敏感平衡阀动态特性仿真及参数优化研究.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 1 VO 1 ． 3 9 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 0 9 负载敏感平衡阀动态特性仿真及参数优化研究 姚 平喜 ，张恒 ，王伟 太原理工大学机械 工程学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要介绍一种新型负载敏感平衡阀的工作原理和结构特点，建立其动态模型，借助 M A T L A B ／ S i m u l i n k进行动态仿真 及参数优化，结果显示该新型负载敏感平衡阀动态响应快、超调量小且稳定性好。所得结论为新型负载敏感平衡阀的结构 优化提供 了依据 。 关键词负载敏感平衡阀；动态建模 ；仿真；参数优化 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 2 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 7 0 2 9 4 Re s e a r c h o n Dy n a mi c S i mul a t i o n a nd Pa r a me t e r s Op t i mi z a t i o n f o r Lo a d- s e ns i ng Co un t e r ba l a n c e Va l v e YA0 P i n g x i ． ZHANG He n g． W ANG W e i I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r a l f e a t u r e s o f a n o v e l l o a d s e n s i n g c o u n t e r b a l a n c e v a l v e w a s i n t r o d u c e d a n d i t s d y n a mi c mo d e l wa s e s t a bl i s h e d． Dy n a mi c s i mu l a t i o n a n d p a r a me t e r o pt i mi z a t i o n we r e c a r r i e d o n b y MATLAB／S i mu l i n k． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l o a d s e n s i n g c o u n t e r b a l a n c e v a l v e h a s a q u i c k d y n a mi c r e s p o n s e ， a s ma l l o v e r s h o o t a n d h i．g h s t a b i l i t y ． T h e c o n c l u s i o n p r o v i d e s a r e f - e r e ne e f o r t he s t r uc t u r a l d e s i g n a nd o p t i mi z a t i o n o f l o a d s e n s i n g c o u nt e r b a l a nc e v a l v e ． Ke y wo r d s L o a d s e n s i n g c o u n t e r b a l a n c e v a l v e ；Dy n a mi c mo d e l i n g ；S i mu l a t i o n；f a r a me ￡ e r s o p t i mi z a t i o n 在工程机械 、起重运输机械等领域中，为了防止 负载下降时出现超速危险 ，通常使用平衡阀来 控制负 载的下降速度 。传统的平衡阀存 在着不少缺点 负载 较重 时 ，容易 出现低频振动 ，工 作平稳性 与安全性较 差 ；负载较轻 时 ，控 制压 力偏 高 ，系统 功 率损 失 严 重 。针对 以上问题 ，文献 [ 1 ]提 出了一种新 型的负 载敏感平衡 阀，该 阀一改传统平衡 阀的设计理念 ，使 阀口的开度随负载的增加 而减小 ，负载重时 ，阀口开 度减小 ，使重物 平稳 下 降 ，负 载 轻 时 ，阀 口开 度 增 大 ，使控制压力减 小 ，从 而产生 与负载 匹配 的背压 ， 其控制压力基本为定值 ，从而保证在小负载时的功率 损耗较小 。作者建立 了此平 衡 阀系统 的数学模 型 ， 借助于 M A T L A B ／ S i m u l i n k 对其动 态特性进 行 了仿真 ， 通过 在 S i m u l i n k模 块 中加入 调 用 MA T L A B的优 化 函 数语 句 ，对某些参数进行 了优化 。 1 负载敏感平衡阀工作原理及特点 图 1 为负载敏感平衡 阀的平衡 回路 图 ，该 阀由单 向阀 、可控节流阀 以及液控单向阀三部分组成 。该新 型平衡阀采用负载敏感原理，将负载产生的压力反馈 到可控节 流 阀控制 活塞 的一 端 ，控制 节 流 阀的开 口 量 ，在保证产生与负载平衡 的背压 的前提下 ，使油液 图 1 新型负载敏感平衡 阀平衡 回路 图 1 ． 1 负载敏感平衡 阀的工作原理 图 2为负载敏感平衡 阀的结构原理图。 对应 于图 1中换 向阀的 3个位置 ，负载敏感平衡 阀有 3种工况 1 起升工况 。换 向 阀右位 工作 时 ，压 力油 从 收稿 日期 2 0 1 0～ 0 5 2 0 基金项 目山西省研究生优秀创新项 目 2 0 0 9 3 0 4 2 作者简介 姚平喜 1 9 6 3 一 ，男 ，博士 ，副教授 ，主要从事液压技术 、机 电一体化技术 以及 C A D ／C A M技术方面的科研 及 教学工作 。电话 1 3 8 0 3 4 6 2 9 2 5 ，E ma i l y a o p x 0 7 8 2 1 6 3 ． c o m。 ． 3 O 机床与液压 第 3 9卷 流体弹性模 量的影响。 4 设 回油压力为零 。 5 不考 虑液控单 向阀 的动态 响应过程 ，因为 阁控制活塞 液控单向阀的控制活塞 的移动距离约为 2 m m，所 以 阀 对整体的动态响应不会有太 大的影响。 图2 负载敏感平衡阀结构原理图 A口进入平衡阀 ，打开单向阀 6 ，从 B口进入液压缸 下腔 ，推动负载上升。 2 静止承载工 况。换 向阀 中位工 作时 ，此 时 系统处于卸荷状态 ，液控单向阀 4在弹簧 以及液压缸 下腔压力作用下闭合。由于液控单 向阀采用锥面密 封 ，所 以液压缸可 以长时间处 于锁定位置 。 3 负载下行 工况 。换 向 阀左 位 工作 时，压 力 油进入液压 缸上腔 ，一部 分压力 油通过 c口作用 在 液控单向阀控制活 塞 3的右端 ，打 开液控单 向阀 4 。 由负载的 自重产生的液压缸下腔压力通过平衡阀 内部 通道作用在控制活塞 8的左端 ，使 节流阀 7 具有相应 的开口量，液压缸下腔的油液以全流量通过节流阀以 及开启 的液 控单 向阀 ，从 A 口回油 箱。负 载越 大 ， 节流阀 7 开 口越小 ，负载变大 ，节流阀 7的开 口随之 变大 ，从 而产生一个与负载相适应 的背压 ，使负载平 稳全速地下降 。 1 ． 2 负载敏 感平衡 阀的结构特 点 1 该阀由可控节 流 阀、液 控单 向 阀、单 向阀 三部分组成。 2 该阀主阀弹簧采用串联分段作用弹簧来取 代单一作用 弹簧 ，这种设计提高了阀芯对于负载变化 的敏感度 。 2新型平衡阀的动态建模及仿真研究 2 ． 1 负载敏感平衡 阀的动态建模 图 3 所示为负载敏感平衡阀的系统动态建模示意 图。为研究方便 ，对平衡 阀工况做如下简化 I 忽略随变 幅角度 而变化 的负载惯性及 惯性 力的变化 ，因为变 幅速度通常较小 ，约为 0 ． 6 。 ／ s 。 2 由于采用 手动换 向，输人 流量 不是严 格 的 阶跃信号 ，假设为标准阶跃信号 ，该情形对应 于平衡 阀的最坏工况 ，因此不影响研究的普遍性。 3 不考虑 管路动 特性 ，也不考 虑管路 约束对 图3 负载敏感平衡阀系统动态建模示意图 列 出该负载敏感平衡阀下行工况各运动部件运 动 微分方程及各工作容腔流量连续性方程 。 节流阀阀芯运动微分方程 p 1 A】 一 】 0 ml B l 1 式中 P 为控 制活塞 左端控 制压 力 ，即液压 缸下 腔 压力 ；A 为控 制活塞 左端 面积 ；K 1 为节 流阀弹簧 刚 度 ；m ， 为节流阀阀芯 与控制活塞质量 之和 ；B 为节 流 阀的运动黏性阻尼系数 ； 为节 流阀的位移 ；‰ 为 节流阀弹簧预压缩量。 液压缸运动微分方程 p。 A 一Pl Adm；j B j G 2 式中 P 。 为 液压 缸上 腔压力 ，即液控 单 向阀控制 活 塞左端控制压力 ；m 为液压缸活塞与负载质量之和 ； 曰 为液压缸 活塞 的运 动黏性 阻尼系数 ； A A 分别 为液压缸 有 杆腔 与无 杆 腔面 积 ； 为液压 缸 活塞 行 程 ；G为负载重量 。 液压缸上腔流量连续方程 q u 三 一 G p 一 P t 3 式 中 为液压缸有杆 腔容积 ； 为油液 弹性模量 ； Q为系统供油流量；G 为液压缸内泄系数。 液压缸下腔流量连续方程 j A 一Q 式 中 为液压缸无杆腔 容积 ； 流量 。 节流阀 口流量方程 QL C 4 为通过 节流 口的 5 式中P为油 液密度 ；C为节流 阀 口流量特 性 系数 ； 第 7期 姚平喜 等负载敏感平衡阀动态特性仿真及参数优化研究 3 l A 。 为位移 为零 时的节 流阀开 口面积 ；W为节 流 阀的 面积梯度 。 lp ， 2p】 ， 3 ， 4 ， 5----Z， 6三。 根据 以上方程可 以推导 出用状态方程表示的新型 平衡 阀数学模 型如下 [ Q A G 1 ] V d[A ax 6 - A lX 4 - C 】 3 6 [ A J 一 ％ 一B t, ,x ,4 ] 5 一 一 G 2 ． 2必要 的约束 条件 设置约束条件的 目的是 要对 系统动态状态方程在 描述系统动态结构及特征 方面 的不完备 性进行 补正 。 对运动部件的约束 包括对其 位移 和速度 的约束 。在 负 载敏感平衡阀动态特 性仿 真过程 中 ，活塞 和节流 阀的 位移与速度的约束条件如下 1 液压缸 活塞位移 为 z ，活塞 的速 度为 j 。则 有 当 z 0时 ，令 z 0 ；当 z0且 j0时 ，令 三0。 2 节流阀阀芯位移 为 ，节流 阀阀芯 的速度为 。则有 当 0时 ，令 0 ；当 0且 时 ，令 ；当 X m a x 且 0 时 ，令 0 。 为防止在数值求解过程 中出现 负值压力 ，设置约 束条件 为 如果液压缸上腔 压力 P 0 ，则令 P 0 ； 如果液压缸下 腔压力 P 。 0 ，则令 P 0 。 2 ． 3 仿真模型的建立 由式 6 可得液压缸上腔 流量连续性 模 型仿 真 子系统如 图 4所示。 ． fie ／ I n t e g r a 1 D _ - 一 力 图 4 液压缸上腔流量连续性模型 液压缸下腔流量连续性模 型仿 真子 系统 ，如图 5 所示 。节流 阀 阀芯运 动模 型仿 真 子 系统 ，如 图 6所 示 。液压缸运动模型仿真子系统 ，如图 7所示 。 一 _ 一 fle ／ V ,I nt e g r a l l 一 卜 ＼一 一 Ly一 图 5 液压缸下腔流量连续性模型 一 一 I Im l 1 n t e g r a 册 一 - 图 6 节流 阀阀芯运动模型 一 _ ； 一 嘲 l ／ m l nt egr at - 叵卜 图 7 液压缸运动模型 将 图 4 的 运 动模 型 子 系统 集合 成 平 衡 阀 的 S i m u l i n k仿真模 型 ，如图 8所示 。 图 8 负载敏感平衡 阀的 S i m u l i n k 仿真模型 2 ． 4 负载敏感平衡 阀的仿真研 究 、 在 S i m u l i n k 仿真模型的基础上，给定仿真参数， 包括仿真起始时间和终止时间 、积分步长 、允许误差 以及返 回的变量等 j 。考虑阶跃响应 ，即当流量作 为阶跃输入时所关 心的变量的响应情况 ，运行得到 节流阀 阀芯速度的阶跃响应 曲线 如图 9所示。液压缸 活塞速度的阶跃响应曲线 如图 1 0所示。 3 2 机床与液压 第 3 9卷 0 0 0 0 E - 0 ，0 。0 -0 0 -0 图 9 阀芯速度的阶 跃响应曲线 O． 3 0． 2 5 0． 2 0． 1 5 0 ． 1 鲁0 ． 05 0 ，0 ． O5 ．0． 1 ．0 ． 1 5 ．0． 2 2 0 ． 图 l 0 液压缸速度的 阶跃响应 曲线 3 平衡阀动态特性优化研究 3 ． 1 基于 S i m u l i n k的参数优化思路 及优化参数的 确 定 对平衡阀参数的优化可以通过在 S i m u l i n k模块中 调用 MA T L A B的优 化 函数 语句来 实现 。优 化的 目标 是找到优化变量在定义域 内的某个值 ，使 目标 函数值 最小 ，优化程序流程 图如图 1 1 所示 。 丽 ． H 星 差 盔 圈 豇 丽 丽 网． 1差 值 『 l函 数 l ＼ 定 值 ／ MA TL AB 优 化函 数 图 1 1 基于 S i m u l i n k优化 函数的流程 图 由图 1 1 可知 ，响应 的优 化过程其实就是指通过 调整模型 中某些参数值的大小 ，使预测 的系统响应趋 向于所期望的响应 的一个过程 。平衡 阀阀芯质量 、阀 芯开 口面积和弹簧刚度对平衡 阀的动态特性具有较大 的影 响，将这三个参数作为优化变量 ，在其可行域 内 寻找能够产生系统最佳 响应的参数值 的组合。 3 ． 2 目标 函数 的选取 为满足实际应用的要求 ，系统的动态特性设计都 要求有预期的品质 。就时域特性来说 ，一般都希 望系 统的阶跃响应具有尽可能好 的动态过渡过程品质 ，即 较小 的超调量和过渡过程 时间 ，以达到快速性与稳定 性的双重要求 。因此 ，超调量与过渡过程 时间就成为 动态设计 的重要追求 目标 。 负载敏感平衡 阀系统结构复杂 ，不能用显示解析 式表达反映系统的 目标 函数。针对液压缸速度 ，选取 时间乘 以液 压缸 速度 d z ／ d t 的绝对 误差 积 分 I T A E 准则 作 为优化的 目标 函数。I T A E准则兼 顾 了相对 稳定性和快速性 。 在对 平 衡 阀 进 行 动 态 特 性 分 析 过 程 中，根 据 1 T A E准则可以表示为 N 口∑f d z ／ d t d z ／ d t 。 。 f t i S 7 式中 Ⅳ为仿 真计算 总点数 ；d z ／ d t 为液压缸速 度动 态 响应瞬时值 ； ／ d t 。 。 为液压缸速度 动态 响应 稳 定值 ；S 为仿真计算步长 ；t 为仿真 瞬时时刻。 按照此准则设 计 的系统 ，瞬态 响应 的振荡性 小 ， 动态 响应快 ，超 调量小 ，频宽加大 ，且稳定性和稳态 误差也能够得到保证 ，对参数具有 良好的选择性 。在 最优控制理论中，广泛采用积分形式的性 能指标来设 计各种类 型的最优控制器。 3 ． 3参数优 化 的实现 目标 函数 选择 I T A E准 则 ，直接 根据其 表 达式 ， 用 S i m u l i n k 模块将 I T A E准则 表示 出来 ，连接 在仿真 模块 的输 出端 ，这样就 得到 图 1 2所示 的仿真模块 与 优化指标 函数模块相结 合 的 S i m u l i n k模 型。图 l 2中 预测响应的输入与仿真模型的待优化输出的状态变量 相联合 ，期望 的响应为待优化变量在一定激励下所希 望得到的响应 曲线 ，c l o c k模块 为仿 真 的时钟 ，对应 于 目标 函数积分的起始与终止时间。 图 1 2 负载敏感平衡阀 S i m u l i n k优化方框 图 通过编程设定仿真参数，对 S i m u l i n k 模型进行仿 真得到优化过程中产生的 I T A E值，然后利用有约束 优化命令 f m i n c o n 进行寻优，此过程是一个仿真和 优化反复交替 的过 程。图 l 3为优化后 节流 阀阀芯速 度的阶跃响应仿 真 曲线 。比较 图 9与 1 3 ，优 化前节 流阀阀芯动态 响应的上 升时 间为 0 ． 0 2 3 2 s ，调 节 时 间为 0 ． 1 2 6 8 S ，超 调 量 为 4 7 ． 5 ％ ，稳 态 时 间 为 0 ． 1 8 0 5 S 。经过参数优化 ，阀芯动态响应 的上升时 间 为 0 ． 0 1 7 0 S ，调 节 时 间 为 0 ． 0 7 1 2 s ，超 调 量 为 3 7 ． 5 ％ ，稳态时间为0 ． 1 1 0 5 S 。经过参数优化 ，这些 性能指标反 映了该平衡阀响应快速 、动态过程持续时 间短及系统响应过程较 平 稳。改变该平衡阀结构参 数进行多次仿真，可总结 出平衡 阀的这些结 构参数 对 系统 性 能 的影 响情 况 ， 如表 1 所示 。优化 前后 的 参数 如表 2所示。优化后 的参数更 能使此平衡 阀运 动平稳且使控 制压力保持 不变。 图 l 3 优化后 阀芯速度 的阶跃响应曲线 表 1 负载敏感平衡 阀优化参数对 系统性能的影响情况 参 数 变 量 磊 下转第 7 6页 7 6 机床与液压 第 3 9卷 根据我 国铁 道 行 业 标 准T B ／ T 1 4 9 1 2 0 0 4 机 车车辆油压减振器技术条件 的规定 ，用谐 波振 动激 励方式测取减振器示 功特性 。该实验谐波采用活塞 相对于工作缸作往复谐波规律的正弦运动。实验行程 为 5 0 r E tl n ，试 验 频 率 分 别 为 0 ． 6 3 7 、0 ． 9 5 5 、1 ． 2 7 3 H z ，其对应的最大速度为0 ． 1 、 0 ． 1 5 、 0 ． 2 m ／ s 。不 同 情况下的阻尼特性 图如 图 4 _ _ 6示。图 4为表示振动 频 0 ． 9 5 5 H z 时 ，电液 比例 阀不 同开 口度 的 F S 示 功 图 ；图5表示 相 同开 口度 不 同振 动频率 的 F S 示 功 图 ；图6表示相同开口度的不 同振动频率 的 F 一 示 功 图。 2 5 0 20． 0 1 5． 0 1 0． 0 至 5 0 O 0 5 ． 0 一O ． O ．1 5 ． 0 ．2 0 ． 0 一 阀当量开口2 ． 2 In m 一一 阀当量开口2 ． 0 mm ．0 ． 05 ． 0 ． 025 0． 0 0． 0 25 0． 05 s ／ m y s is L a s LR u n 2 0 1 0 - 0 4 1 6 0 0 0 3 3 7 一 振动频率0 ．6 3 7 Hz ⋯一 振动频率0 ．9 5 5 H z 3 0 ．0 1 ⋯振 磐 妻 “ ’ 2 0 0 1 f - l_ ． ． ．一 ／ ．3 0． 0 一 图4 振动频 0 ． 9 5 5 H z 图 5 相 同开 口度 的 的不 同开 口度 不同振动频率 F s 示功图 的 F S 示功图 v l m s 。 、 A na l y si s Las t Run 201 0 0 4- I6 图 6 相同开 口度的不 同振动频率 的 F 一 示功 图 4结论 通过在 MS C ． A D A MS 软件中建立某型号双筒液压 减振器仿真模型，并对该减振器的F s 阻尼位移示功 特性和 F 一 阻尼速度特性进行仿 真 比较 分析 ，表 明该 减振器可根据不同振动频率调节开 口度的大小 ，从而 改变阻尼力的大小 ，并提供连续阻尼力 ，能有效适应 高速列车运行状态要求 。另外 ，从仿真示功 图看 出， 可调阻尼减振器的阻尼特性 图是一 圆滑的封 闭曲线 ， 无 明显畸变 ，说明该减振器设计合理 ，是一种性能比 较优异 的减振器 ，可 以应用于工程实际。 参考文献 【 1 】杨国桢， 王福天． 机车车辆液压减振器[ M] ． 北京 中国 铁道出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】胡均平 ， 钟定清． 高速列车可调阻尼油压减振器的研究 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 6 7 1 7 3 ． 【 3 】M S C公司． U s i n g A D A M S ／ H y d r a u l i c s [ M] ． 2 0 0 0 ． 【 4 】中华人民共和国铁道． T B ／ T 1 4 9 1 - 2 0 0 4机车车辆油压减 振器技术条件[ S ] ． 北京 中国铁道出版社 ， 2 0 0 5 ． 1 ． 【 5 】V a n K a s t e e d ， R i c h a r d ， A n e w s h o c k a b s o r b e r m o d e l e f o r u s e i n v e h i c l e s y s t e m d y n a m i c s s t u d i e s [ J ] ． V e h i c l e S u s t e m D y n a m i c s ， 2 0 0 5 ， 4 3 9 6 1 3 6 3 1 ． 上接第 3 2页 表 2 原参数与优化参数结果对 比 4结论 利用 M A T L A B ／ S i m u l i n k对负 载敏 感平 衡 阀的 动 态特性进行了仿真研究和参数优化 ，仿真结果显示该 新型负载敏感平衡 阀动态响应快 、超 调量小且稳定性 得到了保证 。对控制结构参数进行了优化 ，得到了负 载敏感平衡 阀的有关参数对系统性能的影响 ，为进一 步优化此平衡阀结构提供 了依据。 参考文 献 【 1 】麻井伟． 负载敏感平衡阀研究[ D] ． 太原 太原理工大 学 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】姚平喜， 张晓俊． 液压平衡回路辨析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 1 7 4 7 6 ． 【 3 】张恒 ， 姚平喜 ， 段少帅， 等． 基于 F l u e n t 的负载敏感平衡 阀流场分析 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 4 3 2 3 5 ． 【 4 】姚平喜， 闰志明， 杨世春． 负载敏感平衡阀的性能分析与 数字仿真[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 9 2 5 1 5 4 ． 【 5 】李成功， 和彦淼． 液压系统建模与仿真分析[ M] ． 北京 航空工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 9 2 3 ． 【 6 】李贺冰． S i mu l i n k通信仿真教程[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 5 1 2 ． 【 7 】P e t e r K ． Mo d e l l i n g a n d s i m u l a t i o n o f h e t e r o g e n o u s e n g i n e e fi n g s y s t e m s [ D] ． S w e d e n L i n k 0 p i n g L i n k O p i n g U n i v e r s i t y ．