基于先导压力补偿的插装式比例流量阀控制特性研究-赵红梅.pdf
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1、液压与气动 2016年第10期doi:101 1832jissn100048582016010018基于先导压力补偿的插装式比例流量阀控制特性研究赵红梅1。王军2(1新疆农业职业技术学院,新疆昌吉市831100;2江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)摘 要:采用比例阀作为先导级的Valvistor阀,具有结构简单、成本低、通流能力大、压力损失小等优点,主阀流量是先导阀流量的线性放大,在工业领域中应用广泛。为了提高Valvistor阀的控制精度和可靠性,提出在Valvistor阀内部机械反馈通道的基础上叠加一个压力补偿阀,控制先导阀流量,进而控制主阀流量,并利用Simulation X对
2、阀控制特性进行研究。结果表明,新设计的阀控制精度高、动静态响应特性好。关键词:插装阀;Valvistor阀;压力补偿阀;仿真中图分类号:THl37;TE927文献标志码:B文章编号:1000-4858(2016)010-0096-05Control Characteristic of Poppet Type Proportional Valve Based onPilot Pressure CompensationZHAO Hongmeil,WANG Jun2(1Xinjiang Agricultural Vocational and Technical College,Changji,Xin
3、jiang 83 1 100;2School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013)Abstract:The Valvistor valve using a proportional valve as the pilot has many advantages such as simple structure,low cost,large flow capacity,small pressure loss and SO on,and has been used widely in indust
4、ryThe flow rate ofthe main valve and pilot valve is linear proportional relationshipIn order to improve the control precision and reliability of the designed Valvistor valve,a pressure compensation valve is used to control the pressure loss on the pilotvalve as a constant value combined with the int
5、ernal mechanical feedback ehannel to control the flow through themain valveThe performance of the designed valve is simulated with SimulationX,and the results show that thecontrol precision,dynamic and static response characteristics of the new designed valve are goodKey words:cartfidge valve,Valvis
6、tor valve,pressure compensation valve,simulation引言随着工程和工业装备朝着大型化发展,对高压大流量元件和系统的需求也越来越大。与滑阀式流量阀相比,插装式比例阀具有泄漏小、通流能力强、结构简单和成本低等优点,近几十年来发展迅速,被广泛应用于水利水电和工业生产中。4 J。Valvistor阀是一种采用内部机械反馈的可对流量进行连续比例控制的插装阀,通过控制先导阀的小流量比例控制主阀流量,工作原理与电子电路中的晶体三极管相似,因此也称为液压晶体管。Valvistor阀控制腔通过主阀芯上的节流口直接从进油口或者出油口引控制油,不需再专门设置控制油通道,结
7、构紧凑,并且通过调整先导阀的控制原理可以方便的构成节流、调速、压力、平衡等控制阀51。收稿日期:2016-05-16作者简介:赵红梅(1980一),女,新疆昌吉人,讲师,硕士,主要研究方向为机械工程及自动化。万方数据2016年第10期 液压与气动 97为了提高大流量范围下阀的控制特性和稳定性,国内外学者对VMvistor阀的高精度控制和稳定性进行了深入研究。Rong Zhang建立了VMvistor阀响应的仿真模型,通过试验和仿真研究指出采用位移一流量反馈原理限制了阀的带宽怕J。Matti Lnjama创新性的提出采用数字先导回路控制VMvistor阀,并对其阶跃特性和静态流量特性进行了试验研
8、究,结果表明新的控制回路方法可以有效提高阀的动态响应速度并降低阀芯控制滞环J。瑞典林雪平大学的Bjoin Efiksson教授建立了VMvistor阀先导阀和主阀的动静态模型,并进行了试验验证怫J,在后续研究中,进一步提出在VMvistor阀的先导回路中设置两个液控单向阀,实现阀的双向流量控制旧J,解决了Valvistor阀一般只可以单向流动的问题。路甬祥教授提出了位移力反馈和流量位移力反馈工作原理,并设计了新的流量控制阀,解决了传统压差补偿型流量阀,负载阶跃时存在大的流量超调和稳态精度差的问题0】。本研究以VMfistor阀为对象,提出在阀内部机械反馈通道的基础上叠加一个压差补偿阀,控制先导
9、阀流量,进而控制主阀流量,解决主阀压力补偿能量损失大的问题,并采用多学科仿真软件对阀动态特性进行仿真研究。l VMvistor阀工作原理图1为VMvistor阀工作原理图,初始状态先导阀关闭,无流量经过,A腔压力油经主阀反馈窄槽的预开口Xi作用于主阀C腔,此时主阀C腔压力P。等于A腔压力P,由于主阀C腔面积A。是A腔面积A。的2倍,在面积差作用下,主阀不动作;当先导阀在控制器图1 VMvistor阀工作原理信号下开启一定位移Y时,主阀控制腔油液经先导阀流出,C腔压力p。降低,在压差作用下,主阀开启,忽略油液的可压缩性,直至流过反馈节流槽的流量Q。等于流过先导阀的流量Q,主阀达到稳态。该阀的工作
10、原理可以采用下述公式进一步说明。如忽略阀芯运动速度、容腔体积变化及液动力对阀芯流量及受力造成的影响,根据节流口流量公式,通过主阀、反馈窄槽、先导阀的流量可表示为:厅一QA-B=c“畎X(P一PB) (1)厂广一Q一c=cdcWc(x+墨)三(pApc)(2)厅一Q,=Cdy。Ey吾(pcpa) (3)式中,Cn、C小C。,为主阀、反馈窄槽、先导阀节流口的通流系数;W为节流口的面积增益。达到稳态时,流过反馈窄槽的流量和流过主阀的流量相等,通过阀的总流量等于A口到B口流量与A口到C口流量之和:Q一。=Q, (4)Q=Q。一B+Q。一c (5)忽略主阀芯弹簧力和液动力,主阀受力平衡方程为:PcAc=
11、PA+PBAB (6)Ac=AA+AB (7)联立式(1)一式(7),忽略流量系数和液动力影响,可解得主阀流量和先导阀流量的关系:Q_,+精”辱Qy(8)由式(8)可知,理想状态下,通过主阀的流量与先导阀流量近似成比例关系,放大倍数与反馈窄槽和先导阀面积增益有关。因此只需控制通过先导阀的流量即可控制通过主阀流量,结合调速阀原理,在先导阀和主阀C腔之间串联一个定差减压阀,使先导阀的压差恒定为某设定值,从而使先导阀流量是其通流面积的线性函数,图2所示为新设计的这种流量阀的结构原理。该原理在先导阀和主阀C腔之间串联一个压差补偿阀,压差补偿阀控制油腔先导油分别引自先导阀的前后,通过弹簧设定先导阀压差恒
12、定为某常值,只需一个较小的压差补偿阀即可实现主阀流量的连续比例万方数据98 液压与气动 2016年第10期控制,比主阀压差补偿结构更为简单。 关闭,反馈窄槽预开量设置为03 mm。图2新设计的流量阀理2流量阀SimulationX模型建立21 结构及参数设计如图3所示为设计的流量阀主阀结构,由主阀芯、阀套和阀体组成。主阀阀芯为锥形,为了使主阀面积增益为常数,采用4个矩形节流槽位于阀芯底部,设计压差1 MPa时,额定流量为140 Lmin,流量放大倍数为10一主阀图3新设计的流量阀主阀结构为了保证阀在不平衡液压力作用下能可靠关闭,主阀芯A端与C端面积比可设定为A。:A。=1:2,取C端阀芯直径D
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