负流量控制机构伺服阀参数对变量泵的动态特性影响研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAULI CS J a n． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 6 负流量控制机构伺服 阀参 数对变量泵的动态特性影响研究 石金艳 ， 范芳洪 ， 周会 ，史时喜 1 ．湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 4 1 2 0 0 1 ；2 ．中国南车株 洲电力机 车研 究所有限公 司， 湖 南株洲 4 1 2 0 0 1 ；3 ．中铁第一勘察设计院集团，陕西西安 7 1 0 0 4 3 摘要 对变量泵 的负流量控制机构伺服 阀的阀 口过 流面积进 行了解析 ，并运 用 S I MU L I N K对 变量泵 负流量控 制进行 数 学建模与仿真，分析了阀口的尺寸参数对变量泵动态特性的影响，为伺服阀阀口的设计提供有价值的参考。 关键词负流量控制 ；伺服阀；变量泵；动态特性 中图分类 号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 l - 0 6 1 3 S t ud y o n Ef f e c t o f Ne g a t i v e Fl o w Co nt r o l M e c h a ni s m S e r v o Va l v e Pa r a m e t e r s o n t h e Dy na mi c a l Cha r a c t e r i s t i c s o f Va r i a b l e - di s p l a c e me nt Pump S HI J i n y a n ． F AN F a n g h o n g ，Z HOU Hu i ， S HI S h i x i 1 ． H u n a n R a i l w a y P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ， Z h u z h o u H u n a n 4 1 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2． CS R Z h u Zho u I n s t i t u t e Co ． ．Lt d． ．Z h u z ho u Hun a n 41 20 01，Chi na； 3 ． Ch i n a Ra i l wa y F i r s t S u r v e y De s i g n I n s t i t u t e Gr o u p C o ． ．L t d ． ，Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 3。C h i n a Ab s t r a c t Th e s e r v o v a l v e o r i fic e a r e a o f n e g a t i v e flo w c o n t r o l me c h a n i s m i n t h e v a r i a bl e di s p l a c e me nt pu mp wa s a na l y z e d．Th e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t he ne g a t i v e flo w c o n t r o l me c h a n i s m o f v a r i a b l e d i s p l a c e me nt pu mps wa s e s t a b l i s h e d，a nd t he s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t u s i n g S I MUL I NK． T h e i n f l u e n c e o f d i me n s i o n p a r a me t e r s o f t h e v a l v e o r i fi c e o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c o f n e g a t i v e fl o w c o n t r o l l e d v a r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp wa s a n a l y z e d ． Va l u a b l e r e f e r e n c e i s p r o v i d e d f o r t h e d e s i g n o f s e r v o v Mv e o r i fic e ． Ke y wo r d s Ne g a t i v e fl o w c o n t r o l ；S e r v o v a l v e ；Va r i a b l e d i s p l a c e me n t p u mp；D y n a mi c a l c h a r a c t e r i s t i c s 0前言 液压阀的 阀口主要有全周开 口和非全 周开 口两类 形式 。非全周开 口滑 阀是在滑 阀凸肩 圆周 上面均匀分 布各种形状 的节流槽 ，以获 取不 同 的流量控 制特 性 。 由于大部分滑 阀具有 复杂 的非线性 关系因而较难推导 出准确的解析式而只能给出近似函数。文献 [ 1 5 ] 对几种复杂 的非全开 口形式 的滑阀阀 口过流面积进行 了解析．采用多项式拟合方法得出了计算公式。作者 在此基础上计算 了负 流量控 制机构伺服阀 阀口的过流 面积，并建立了变量泵负流量控制机构的数学模型， 经过仿真分析得 到了伺 服阀阀 口的参数对变量泵动态 特性的影响 。 1 负流量控制机构伺服阀阀 口过流面积解析 对 图 1 所示 的双 三角 与 u型槽 的组合 伺 服 阀 阀 口 具体参数见表 1 的过流面积进行解析 ，解 析过 程如下 图 1 伺服阀阀口面积计算简图 表 1 伺服 阀阀口参数表 ∥ mm 9 ／ ／mm 5 r ／ram 1 h ／mm 2 a／mm 0 ．5 2 、 b ／ mm 2 。 4 5 若 日 6 ， 8 。 ， D b r ， D r ， 6 r Z 。 在点 C有关 系式 一 2 r 几 R k x 2 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 3 0 基金项 目2 0 1 2年湖南省教育厅优秀青年科研项 目 1 2 B 0 9 1 作者简介 石金艳 1 9 8 3 一 ，女 ，工学硕士 ，讲师 ，研 究方 向为液压传动 与控制技术 。E - m a i l s h i j i n y a n 2 0 0 8 1 2 6 ． c o m。 6 2 机床与液压 第 4 3 卷 c b r 一√ r 一 z c 。 2 式 中 h为节 流槽 的深 度 ，m m； r为 u型槽端 口的半径 ，m m 兄为阀芯的最大直径 ．m m 为 阀口开度 ，m m n为节流槽个 数 2 为刀具头部的夹角 a为双 三 角 槽 为 某 开 口处 在 。轴 上 的 位 置 ， mm ； b为 双 三 角 槽 为此 开 口处 在 轴 上 的位 置 ． z Y l_ 二 竺 ．_ 三 ， m 。。 t 通过联立式 1 、 2 可得 到 z 。 与 的值 。 面积 A 、微元面积 d L 4 是 若 l c 一 2 m Rk x 2 、 ／ 广 二 _ 厂 _ 3 A 2 n 。 R ⋯c s i nz R d 4 尺 2 a r c s i n ㈣ 若 l D ⋯ c s i 6 此 时 ， 一 一 6r ， A 等于式 7 在 。 时 4 值 。 若 1 F A z A 2o n t 一 r 2 R a re s in 素 7 。等 于式 7 在 ． 。 时 A 值 。 面积 A． 为 当 l B 时 n ，2 扣c sin 素 - z Y “I ㈩ 此 时 Y R k x ， - 2 m R - k x 2 ／ m Z R 2 - 至 k 2 x互 2 2 k R x 2 1m 当 I c 时 此时 A， 如 图 2所示 。 A1 A r F F n Rn A n RAf n nA r n F F o nf 2 arcs in 素 - z y v／ 一 t 2 I 2 R 。 2 z 2 Y c o t O 一 Rh 9 此时， z 可。 图 2 在 B C段 A， 面积计算简 图 若 戈 c l D n 2 arc sin 云 ⋯ ] 1 0 此时 ， ／2一 一 br ， Y 一r 一 6r 若 D l A ． A 。 常数 nE 1 2 a rc sin ／- ] R 2 r ／ 尺 一1 22 r Rr l 1 1 z J 文献『 6 ] 已经对节流槽 的最小截 面和等效 阀 口 面积比较相近。实际应用中能够用狭小截面的连线替 代等效 阀口面积结论进行 了验证 。借 鉴文献f 6 ] 的 方法 ，运用 MA T L A B进行 数值 计 算 ，用 多项 式对 组 合 阀 口的 过 流 面 积 进 行 分 段 拟 合 ，可 得 阀 口面 积 A 近似表达式 ，通过 A 能算 出阀 口的过流 面 积梯度 。 将伺服 阀阀 口具 体参 数 见 表 1 代 人 上述 公 式 。得到如 图 3所示 的过流 面积 曲线 。由图 3可 知 ， 阀 口具有 两 个特 殊 的 阀 口开度 、 ， 称 为转 折 阀 口l 6 ，若 阀 口开度 和 ， ，两条 面 积 曲线 相 交 即 A A ， ；若 x ， ，阀 口最 小 过流面积为 4 ，即A 。 A 为 常 数 。在 较 宽 的 阀 口开 度 范 围 内，阀 E l 面积 A 是 近似 渐 变 的。依据 前 述 面 积 公式 ， 求 出 交 点B 坐 标 为 0 ． 6 0 2，0 ． 1 8 2 和 交 点 C坐标为1 ． 6 0 7 ， 1 ． 9 8 6 。 第 1 期 石金艳 等负流量控制机构伺服阀参数对变量泵的动态特性影响研究 - 6 3 阀 口过流面积 多项式 为 A 一0 ． 0 0 1 7 x 0 ． 1 2 8 x 0 0 ． 6 A 1 1 0“f一 0． 5 6 9 2 x 1 ． 3 6 8 l x 一1 ． 2 3 3 2 0 ． 4 9 4 0 x一0 ． 0 7 4 2 0 ． 6 0 ． 6 0 2 A 1 ． 3 9 6 2 x 一 7 ． 0 3 2 2 x 1 3 ． 1 4 5 1 一 8 ． 8 0 8 l x2 ． 0 7 1 0 0 ． 6 0 2 1 ． 6 0 7 AA． 1 ． 9 8 6 1 ． 6 0 7 2 依据 A W X ，阀 口的过 流面积 梯度 W 为 W 一 0 ． 0 0 5 2 x 0 ． 2 5 6 2 0 0． 6 W l 1 0“r一 2 ． 2 7 6 7 4． 1 0 4 4 x 一 2 ． 4 6 6 4 x0 ． 4 9 4 0 0 ． 6 0 ． 6 0 2 W 5 ． 58 5 0 x 一 2 1 ． 0 9 6 6 x 2 6 ． 2 9 0 2 x 一 8． 8 0 8 1 0． 6 0 2 1 ． 6 0 7 W 1 ． 2 3 6 1 ． 6 0 7 2 若 1 ． 6 0 7 x 2 即处 于 C D段 时 ，此 时 阀 口开 度 到达 U型槽 的等 截面段 ，则 过 流面积 为 A 为常 数 。 2变量泵负流量控制的动态数学模型 变量 泵的变量控 制方 式主要 有恒 功率 、总功率 、 正负流量控制等．通过合理设计负流量变量控制机构 能够让泵 的输 出 流量 与控 制 压力 保 持一 定 的 比例关 系 ，如图 4所 示 。该 负 流量 控制 机构 是 由伺 服 阀 1 ， 销钉 2 、3 、4 、5 、6 。反馈拨叉 7 ，连杆 8 ，伺 服活塞 9和控制活 塞 1 0组成 ，如 图 5所 示 。该 机 构动 作 的 基 本 原 理 是 反 馈 拨 叉 7及 Q 连 杆 8带 动伺 服 阀 1进 行 移 动 ，伺 服 活塞 9大 端 与 泵 出 油 口相 连 ，接 通 高 压 油 ，若 斜 盘倾 角 变 小 ，则 泵输 出 流 量 减 少。 文 献[ 7] 运 用 S I M U L I N K对负流量 控制机 构 图4 控制压力一 输 进 行数 学 建 模 ，得 到传 递 函 出流量关系 数 如图 6所示 。 1 一 伺服 阀 2 、3 、4 、5 、 销钉 7 一 反馈 拨 叉 8 一连杆 伺 服活 塞 1 O 一 控制 活 塞 图 5 负 流量控 制机构 原理图 图6 负流量控制机构传递函数_ 7 ] 图 6中传递 函数 的主要 变 量如 下 A 为控 制活 塞的作用 面积 ；k 为连 杆 位移 比；k 为 控 制活 塞右 端弹簧刚度； 为控制活塞的固有频率； 为控制 活塞 的阻尼 比 ；k 为流 量 系数 ；A 为伺服 柱塞 的大 端面积 ；∞ 。 为控制柱塞的固有频率； 。 为控制柱塞 的阻尼 比。 3 负流量控制伺服阀对变量泵的动态特性影响仿 真及 分 析 伺服 阀口参数 的变化将 导致 过流 面积梯 度 发生改变 ，从而引起负流量控制机构传递 函数 中的关 键参数 流量 系数 k 的改 变 ，最 终导 致 负流 量控 制机构 的动态 响应 的改变 。下 面在不 同双三角槽 宽度 a 、长度 b ，U型槽深度 、宽度 r 等阀口参数 的情况 下进行仿真 ．得到结果 如图 7 1 0所示 。 昌 宕 蠢 坦 碱 蜒 皤 匠 图7 a值对系统动 态 响应影 响 宣 暑 椭 蛭 口 ∞ 匠 皇 吕 蠢 妲 苍 匠 图 8 b 值 对系统动 态 响应影 响 图 9 h值对系统动 图 1 0 r 值对系统动 态 响应影 响 态响应影响 由图 7可知，a值增加对系统稳态值几乎没有影 响 ，稳态值 为 4 ． 7 m m左 右。在响应 曲线前段 ，动态 响应 时间略有减少 ，稳定时间变长 ，超调量也有所增 加 ，由 l O 1 ％L 加 到 1 0 7 ％会 出现振 荡 。在 响 应 曲线 后段 。动态响应 曲线趋于重合 。 从图 8中曲线可知，b 值变化后 ，系统稳态值保 持为 4 ． 7 m m左 右 ，但 动态特 性会 发 生改 变 随着 b 值增加 ，上 升时间延长 ，但调整时间变化很小 ．系统 下转 第 7 7页 第 1 期 赵静一 等矿用 自卸车转向机构优化设计 7 7 6 2 0 MP a ，安全系数 6 2 0 ／ 5 9 ． 8 3 1 0 ． 3 6 ，强度足够 。 从 图 8可 以看 出 。横 拉 杆 最 大 应 力 3 5 ． 8 MP a ， 且 出现在杆 头处 。零件 材料 的屈 服强 度 为 6 2 0 MP a ， 安全系数 6 2 0 ／ 3 5 ． 8 1 7 ． 3 2 ， 强度足够 。 5自卸车转向现场试验 根据优化结 果和转向液压缸 的安装位置进行矿用 自卸车生 产 组装 ，并对 其 转 向系 统进 行 实 际转 向试 验 ，让 自卸 车在 满载工况下完成行驶转 向 ，观察行驶 过 的地 面所 留的痕迹 以及轮胎 的磨损情况 ] ，图 9 为 矿用 自卸 车重载转 向试验 。 一 ● 图 9 矿用 自卸车重载转 向试验 从现场试验和整车的实际使用情况来看 。各轴 线在误差允许范围内都在做纯滚动．这就验证了优 化模型及结果 的正确性。同时整车转 弯半径变小 ， 减缓了轮胎的磨损 。转向液压缸在同等转向条件下 所 需液 压驱 动力变小 ．提 高 了 自卸 车转 向 的安 全性 和稳定 性 。 6结束语 分析 了某矿用 自卸车转 向机构运动学关 系 ，应用 Ma t l a b软件对 某矿 用 自卸车 转 向机 构 进行 了优化 设 计 ，使车轮 实 际转 角与 理想 值 最 为接 近 ，同时运 用 A n s y s 软件对 转向机 构 的关 键部件 进行 强度分 析 ，整 车转向现场试验及应用验证了优化结果的正确性 ．降 低 了轮胎 的磨损 ，提高 了整车 的转 向性能 。 参考文献 [ 1 ]石启龙， 杨建伟． 基于 MA T L A B的断开式转 向梯形机构 的优化设计[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 ， 4 9 2 8 1 0 ． [ 2 ]Z A R A K C E， T O WN S E N D M A ． O p t i m a l D e s i g n o f R a c k a n d P i n i o n S e e fi n g L i n k a g e s [ J ] ． J o u rna l o f Me c h a n i s m s ， T r a n s mi s s i o n s a n d A u t o ma t i o n i n D e s i g n，T r a n s o f t h e ASME， 1 9 83， 1 0 5 22 022 6． [ 3 ]王望予， 汽车设计 [ M] ． 3版． 北京 机械工业出版社， 2 00 0． [ 4 ]赵景川． 汽车内外转向轮转角的关系[ J ] ． 汽车研究与开 发 ， 1 9 9 5 ， 9 3 3 7 3 9 ． [ 5 ]马凤春， 石博强 ， 仝令胜， 等． 基于 MA T L A B工具箱的自 行平板车转向机构设计[ J ] ． 专用汽车， 2 0 0 6 ， 1 1 2 3 3 3 5 ． [ 6 ]东方人华 ， 祝磊， 马赢． A N S Y S 7 ．0入门与提高[ M] ． 北京 清华大学出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 7 ]赵静一 ， 张建福， 程斐， 等． 基于 A D A MS自行式框架车转 向机 构的优 化设 计 [ J ] ． 液 压 与气 动 ， 2 0 1 2 ， 3 6 3 1 7 2 0 上接 第 6 3页 的响应减慢 ，超调量 由 1 2 4 ％减小 为 8 7 ％。b 值越 小 ， 伺 服柱塞 9大端 获得 流 量越 多 则其 移 动速 度 随之 变 快，斜盘倾角调整速度、系统响应也随之变快，与此 同时会引起超调量增加 ，导致 系统会 出现振荡 。故若 能满足响应指标，可通过增加双三角槽长度 b值。让 系统获得更好 的稳定性 从 图 9中曲线可得响应 曲线前 面部分 重合 ．其 原 因是过流面积及面积梯 度 ／／ 相 同；在 响应 曲线 后 面部分 ，h 值 增加 ，系统稳态值 由 4 ． 6 5 m m变 为 4 ． 7 6 m m略微增加 ，上升时 间有 所减少 ，调整 时间改 变较 小 ，系统响应得 以加快 ；超 调量从 1 0 2 ％略 有增加 到 1 0 6 ％ ，若 h 值较 大 系统会 出现振 荡现 象。故 若能 满 足响应指标 ，可通过减小 u型槽深度 h值．让系统 得 到较好 的稳定性 。 从 图 1 0中曲线 可得 响应 曲线 前 面部分重 合 ．响 应曲线 的后 面 部 分 ，r 值 增 加 让 系统 稳 态 值 略 微 增 加 。从 4 ． 6 7 m m变 为 4 ． 7 4 m m．而上 升 时 间得 以减 少 ，调整时 间改变微弱 ，系统 响应得以加快 ，超调量 增加甚微，从 1 0 3 ％增加到 1 0 5 ％，若 r 值过大会让系 统 出现振荡 。故 若 能 满 足 响应 指 标 ，可通 过 减 小 U 型槽宽度让 系统得 到更好 的稳定性 。 4结论 在负流量控制机构伺服阀阀口的参数中，双三角 槽长 度 b 值 对 系统 的响应特性 影响较大 ，U型槽 的深度 h值与宽度 r 值 影响较小，双三角槽 宽度 n值 影响最小 。故若能满足响应指标 ，可适 当减小 n 值 、h值和 r 值 ，或增加 b 值，让系统得到 更好 的稳定 性 。 参考文献 [ 1 ]林建亚， 何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 88 ． [ 2 ]雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 90． [ 3 ]侯敏， 王涛． 非全周开 口滑阀阀口面积快速计算方法 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 3 ， 4 1 2 2 9 1 - 9 2 ． [ 4 ]冀宏 ， 傅新， 杨华勇． 几种典型液压阀 口过流面积分析及 计算 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 5 1 4 1 6 ． [ 5 ]周会 ， 邓斌 ， 刘桓龙． 液压组合阀口过流面积计算及特性 分析[ J ] ． 机械研究与应用， 2 0 0 9 1 8 O 一 8 5 ． [ 6 ]朱碧海， 刘银水 ， 李壮云， 等． 水压节流阀阀 口流量特性 的研究及水压节流阀的研制[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 o 4 5 636 5． [ 7 ]史时喜， 王国志， 刘桓龙． 变量泵负流量控制特性分析 [ J ] ． 机械工程与 自动化， 2 0 0 9 2 3 7 3 9 ．