水压伺服阀液压桥路的正交设计与分析.pdf

第 4 5卷第 6期 2 0 0 9年6 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 45 N O． 6 J u n ． 2 00 9 Dol 1 O ． 39 01 ／ J M E． 20 0 9 ． O 6 ． 0 67 水压伺服 阀液压桥路的正交设计与分析水 聂松林 孔祥纯 2 贾国涛 1 ． 北京工业大学机械工程与应用 电子技术学院北京 1 0 0 0 2 2 ； 2 ．海军驻 7 1 9所军代表室武汉4 3 0 0 6 0 摘要提出了一种前置级采用两级串联固定阻尼孔的双喷嘴挡板水压伺服桥路模型，并对其进行了参量敏感性分析。探讨了 喷嘴挡板位移、阀芯运动速度与阀芯两端压力的关系；运用正交设计方法研究了喷嘴直径、串联固定阻尼孔直径、阀芯直径 及其运动速度、喷嘴挡板与喷嘴之间初始距离等参量对水压桥路特性的影响。结果表明，喷嘴直径以及喷嘴与挡板之间中位 距离越小，阀芯与阀套之间配合间隙越大，阀芯直径越大，阀芯与阀套之间叠合长度越短，压力源压力越高，桥路控制的线 性度越好；对于采用二级节流的水压伺服桥路，第一级固定阻尼孔直径越小，第二级固定阻尼孔直径越大，喷嘴前端流道直 径越小，阀芯与阀套之间配合间隙以及阀芯直径越大，桥路响应就越快。这些研究结果为水压伺服阀样机的研制奠定了理论 基础。 关键词水压传动伺服阀液压桥路二级节流正交设计 中图分类号T H1 3 7 Or t ho g o n a l De s i g n a n d An a l y s e s o f Hy d r a u l i c Br i d g e f o r t e r S e r v o l v e NI E So ng l i n KONG Xi a n g c h un 2 J I A Guo t a o 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y , B e i j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 ； 2 ． Offic e o f Na v a l R e p r e s e n t a t i v e s i n 7 1 9 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 6 0 Ab s t r a c t A n e w t y p e o f d o u b l e n o z z l e fl a p p e r wa t e r h y d r a u l i c s e r v o b ri d g e mo d e l i s d e v e l o p e d ， i n wh i c h t h e t wo t a n d e m fix e d d a mp e r s a r e a d o p t e d a s p r e p o s i t i v e d a mp e r s ．T h e p a r a me t e r s e n s i t i v i ty a n a l y s i s f o r t h e h y dra u l i c b rid g e i s c a r r i e d o u t ．T h e r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e fl a p p e r d i s p l a c e me n t ，t h e s p o o l s p e e d a n d t h e p r e s s u r e a t t h e tw o e n d s o f t h e s p o o l i s i n v e s t i g a t e d ．T h e o r t h o g o n a l d e s i g n i s e mp l o y e d t o s t u d y t h e i n fl u e n c e o f t h e p h y s i c s f a c t o r s o n t h e c h ara c t e r i s t i c s o f the h y dr a u l i c b rid g e ， s u c h a s t h e d i a me t e r o f t h e n o z z l e ， the d i a me t e r s o f t h e t wo t a n d e m fix e d d a mp e r s ， the s p o o l d i a me t e r a n d i t s s l i d i n g s p e e d ， t h e i n i t i a l c l e a r a n c e b e twe e n n o z z l e a n d fl a p p e r ． T h e r e s u l t s r e v e a l t h a t 1 t h e s ma l l e r i n i t i a l c l e a r a n c e b e tw e e n n o z z l e a n d fl a p p e r ， the l a r g e r d i a m e t e r o f s p o o l a n d t h e c l e a r a n c e b e tw e e n s p o o l a n d v a l v e b o d y ， t h e s h o r t e r o v e r l a p l e n h o f s p o o l a n d v a l v e b o d y ， a n d t h e h i g h e r s y s t e m p r e s s ure ， wi l l l e a d t o t h e b e t t e r l i n e a r i ty o f t h e c o n t r o l c h ara c t e r i s t i c s f o r t h e wa t e r h y dra u l i c b ri d g e ； 2 for h y d r a u l i c b ri d g e o f w a t e r s e r v o v a l v e i n c l u d i n g t h e t wo s t a g e d a mp e r s ， t h e s ma l l e r fi r s t d a mp e r d i a me t e r , t h e l arg e r s e c o n d d a mp e r d i am e t e r , t h e s ma l l e r p i p e d i a me t e r b e f o r e t h e n o z z l e ，t h e l arg e r d i a me t e r o f s p o o l a n d t h e c l e a r a n c e b e tw e e n s p o o l a n d v a l v e b o d y， wi l l b r i n g t h e h i g h e r d y n a mi c r e s p o n s e i n t h e wa t e r h y dra u l i c b rid g e ．Th e s e r e s e a r c h r e s u l t s wi l l l a y t h e t h e o r e t i c a l f o u n d a t i o n for t h e d e v e l o p me n t o f wa t e r h y dra u l i c s e r v o v a l v e ． Ke y wo r d s W a t e r h y dr a u l i c s S e r v o v a l v e Hy dra u l i c b rid g e T wo s t a g e d a mp e r Or t h o g o n a l d e s i gn 国家 自然科学基 5 0 3 7 5 0 5 6 、 5 0 7 7 5 0 8 1 、国家高技术研究发展计划 8 6 3计划， 2 0 0 6 A A 0 9 Z 2 3 8 、 教育部 “ 新世纪优秀人才计划 ” N C E T ． 0 7 ． 0 3 3 0 和北京市属市管高等学校人才强教计划 P H R - I HL B 2 0 0 9 0 2 0 3 资助项 目。2 0 0 8 0 7 0 8收到初稿，2 0 0 9 0 2 1 2收到修改稿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第 6 期 c d 固定阻尼孔 I 的流量系数 C d 2 固定阻尼孔 Ⅱ的流量系数 c d 喷嘴孔流量系数 d 主阀芯直径 d ， 固定阻尼孔 I的直径 固定阻尼孔 Ⅱ的直径 固定阻尼孔Ⅱ与喷嘴前端流道直径 喷嘴直径 h 阀芯与阀套之间的圆周缝隙 f n 主阀芯两端与 阀套配合长度 P 喷嘴孔出口压力 P 】 ， P 主阀芯左右两端压力 P l。 ， P 左右两级固定阻尼孔中间腔压力 P I n ， P 左右两边喷嘴前端容腔压力 0 前言 符 号 水压伺服控制技术是水压技术不可或缺 的重 要组成部分，已成为当前国际上流体传动及控制学 科前沿一个极为重要的研究课题。 国外很多学者对于水压伺服阀做出了许多重要 的研究工作。 英国DS E L公司【 J J 于 1 9 8 7 年研制成功一 种新型水下机器人 D U P L US I I ，作业深度为 7 5 0 m， 该机器人身上装有三支标准海水液压机械手来完成 多种工作，机械手均采用海水液压伺服阀控制。芬兰 的 T a m p e r e 科技大学【 2 】 己研制成功采用比例控制的纯 水液压系统 ， 最高压力达 4 0 MP a ， 流量 1 3 6 L ／ mi n 。 德国H a u h i n c o 公司【 j 研制的先导控制式水压比例 阀 压力达 4 0 MP a以上。 日本荏原综合研究所 j 设计 了 一 种新型水压伺服阀，该伺服阀是以喷嘴挡板作为 前置级放大的两级伺服阀。由于阀芯的两端采用了 水压静压支承，减小了阀芯与阀套间的摩擦 ，对于 容易产生气穴气蚀的阀芯与阀套则采用了陶瓷材 料 。日本横滨国立大学的 UR A T A等[ 5 - 7 l 介绍了一种 采用 自来水做介质的伺服阀， 滑阀阀芯由静压支承， 并将静压支承的间隙作为先导级液压控制半桥的固 定液 阻，额定工作压力为 7 MP a ，频响参量达到 3 0 H z ，已达到油压伺服 阀的水平。同时 日本通产省 工业技术院启动大型计划 “ 极限作业机器人的研究 与开发” f s 5 8 , - m 研制了采用全海水进行润滑和驱 动的水压伺服元件和水下作业机器人 l 。 影响水压伺服 阀特性 的参量很多，随着参量的 增多，每个参量的影响将变得更加复杂，而且参量 之间交互作用的影响也将更加显著 。文献[ 5 ． 7 ] 虽然 进行了部分参量敏感性分析 ，但是并没有考虑各参 量之间交互作用对水压伺服控制的影响。为了从理 论上深入研究水压伺服阀的特性和性能，在充分考 虑 了桥路中各种参量及其交互作用对桥路特性影响 的基础上，本研究拟对所设计的水压伺服桥路模型 p 水NK , J J P t 喷嘴出口背压 q l ， q r 左 右喷嘴流量 f 主阀芯运动时间 ‰挡板处于中位时距离 喷嘴挡板位移 _ f 喷嘴挡板量纲一位移 z 主 阀芯位移 主 阀芯量纲一位移 流道压力损失系数，取 0 ． 5 喷嘴压力损失系数，取 t - ． o ． 5 主阀芯运动量纲一时间参量 “ 水的动力粘度系数 口 水的密度 进行参量敏感性分析；并通过正交设计分析寻找出 一 组最优结构组合， 对最优结构组合进行分析验证 。 1 水压伺服桥路数学模型 山口淳介绍的水压伺服阀将静压支承的间隙 作为先导级液压控制半桥 的固定液阻，而文献[ 9 】 的 研究表 明，水经过圆周缝隙之后在其出口处形成了 一 个大的旋涡，这个旋涡消耗了主流运动的能量， 导致压降和能量的降低，容易形成气蚀 J 。基于此 设计了双喷嘴挡板式水压伺服 阀，其中喷嘴挡板采 用力矩马达驱动 ，挡板下部的反馈弹簧杆插入主阀 芯构成力反馈， 其液压桥路模型如图 1 所示 力矩马 达和反馈弹簧杆未画出 。 液压桥路喷嘴挡板前置级 采用两 级固定阻尼孔 串联，有利 于防止气穴的产 生【 l 】 。主阀芯的两端采用 了水压静压支承，减小 了主阀芯与阀套间的摩擦。同时，静压支承的一部 分流量通过喷嘴挡板 ，减小了泄漏；当主阀芯在快 速运动时能进行一定的流量补偿，有利于防止气穴 的产生。 图 1 水压伺服桥路模型 1 ． 1 数学模型的建立 对液压桥路进行基础分析，列出基本方程 。根 据流量连续性方程，左边喷嘴流量为[ 1 o 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 机械工程学报 第 4 5卷第 6 期 对桥路特性的影响规律。对各物理参量取值并计算 。 、弛、 、o 【d 的值如表 1 所示[ 1 o ] 。 表 1 物理参量取值及相关值计算 为方便计算以及分析，根据表 1 所计算的结果 对上述四个量纲一参量 、％、 。 、铂 取一定的变 化区间，如表 2所示。 表 2 参量水平编码列表 当d z ／ d r 0 时表示阀芯运动速度为 0 ，将 dz／ d r 0 ．2 ， 0 及_ f 1 ， 0 分别代入式 9 可以得到 一 系列曲线 图 3 ， 然后在曲线上取若干个点进行直 线拟合 表 3 ，并进行相关性分析。 2 ．0 1 ． 8 1 ．6 l 奋l _2 1 1 ．0 番0 -s 0 ．6 0 ．4 O_2 0 O ．2 0 ．4 0 ．6 0 ． 8 1 ． 0 1 I2 1 ． 4 1 ． 6 1 ． 8 2 ．0 量纲一压力 图 3 压力与阀芯运动速度关系 1 ． 占／ d f 0 ． 2 ， _ f 一 1 3 ． ／ d 0 ， _ f 一 1 5 ． ／ d Y 0 ， _ f 0 7 ． ／ d 0 ，_ f 1 9 ． ／ d _ 0 ．2 ， _ f 1 2 ． ／ d f 0 ． 2 ， _ f 0 4 ． c ／ d Y 0 ． 2 ， - f 1 6 ． c ／ d y - 0 ． 2 ， _ f 一1 8 ． ／ d f _ 0 ． 2 ， _ f 0 1 0 ．式 8 为了分析各个参量变化 以及各参量之间的交 互作用对桥路特性的影响，采用正交回归设计的方 法进行分析，选择正交表 8 2 7 ’按照正交表头最 佳设计方案将各因素安排在表中合适位置，并将表 中的 1 变成 1 ，2变成一 1 ，然后将所列参量按水平 编码n 。 ，各个参量对 曲线的线性度以及桥路响应 的影响分析结果如表 4所示 ，将其中影响很小的列 归于误差列【 J 。 表 3 直线拟合及相关性分析列表 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年 6月 聂松林等水压伺服阀液压桥路的正交设计与分析 7 1 注 为相应列中水平 1 和 r的结果之和；mm 为相应列 中水平 1和 的结果之和； 1 ， 为相应列中水平一 l和 r的结果之和； l 为相应列中 水平一1 和 的结果之和； 为相应列中Mi ， 与 l ， 的差值 即极差 ； 为相应列中Ml 与 一 1 的差值 即极差 ； 为所有方案的 K之和； 为所 有方案的 r 之和；S为因子 的变动平方和； w为多因子 与 的变动平方和S T 为所有因子的S之和； 为所有因子的甄 之和。 各 参量对于 曲线线性度影 响的显 著性分析如 表 5所示参量对 曲线斜率影响的显著性分析如表 6所示 。 表 5 参量对 曲线线性度影响的显著性分析 表 6 参量对曲线斜率影响的显著性分析 相关系数越大，曲线线性度越好。而直线的斜 率与桥路的响应有关 ，在相同的喷嘴挡板位移变化 下，斜率越大表示 曲线对应的压力变化越大，桥路 响应越快，因此在保证 曲线线性度 的前提下，应取 拟和直线斜率大的参量组合 。 查F分布分位数表I l 引， 得F o ．9 5 1 ， 5 6 ． 6 1 ， F o ．9 9 1 ， 5 1 6 ． 3 ’F o ．9 5 1 ， 4 7 ． 7 1 ，F o ．9 9 1 ， 4 2 1 ． 2 。对计算 结果进行分析得出以下结论。 1 a 。 对于 曲线线性度 的影响高度显著 ， 6 c 越小 曲线线性度越好； 其次 ％对于 曲线线性度 的影响显 著， 取大值时曲线线性度较好 。 2 t ；t b 对于 曲线斜率的影响高度显著， 钒越小曲 线斜率越大，桥路响应越快； 。 对于曲线斜率的影 响高度显著， a 越小 曲线斜率越大， 桥路响应越快 ； 和 。 【 d的交互作用对于曲线的斜率影响显著 ，。 c 以及 o c d 取大值时曲线斜率较大 ，桥路响应较快； 和 。 的交互作用对曲线斜率影响显著， 越大，o cc 越小曲线斜率越大，桥路响应越快。 3 水压桥路实例分析 利用方案 2的参量对水压桥路特性进行如下综 合分析 。 1 X f 、 d z ／ d r 对工作点位置 的影响。水压桥 路的工作点为式 8 、 9 曲线的交点，其位置由参量 f 、d z ／ d r决定。从图 3可以发现， f 、d z ／ d r 对 睦线 以及工作点位置具有显著的影响，曲线交汇于 点 0 ， d z ／ 一 。 在相同的X f 下， 改变 d z ／ d r 的值 ，将得到相似的曲线簇。 随着 X f 、 d z ／ 打 的增大，式 9 在 P ， P ． 上方 的曲线将 向上大幅度移动， 而在 P ， P ． 下方的曲线 将 向右移动 ，都可能与式 8 的曲线没有交点，这就 说明阀芯一端容腔内将产生吸空，而另外一端将产 生倒流。 2 X f 与 P 、P 的关系 。 为了解阀芯的左右两 端容腔内压力的对称性关系， 以_ f 为变量， 绘制 ． 与 的关系曲线图。当d z ／ d r 0时，一P 与 关于 O 4 1 0 4 1 6 8 啪 咖 n 8 4 4 6 8 5 3 O 懈删 伽删 ● 1 ● ● ● ● 1 ● 1 ● ● 1 ● 1 ， 0 ●●● 1 2 3 4 5 6 7 8 案案 案 案案 案 案案 方方 方方 方 方方 方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 4 5卷第 6期 _ f O对称 图4 。当 ／ ≠0时，压力不再成对 称关系 。但是当 ／ 取大小相等，方向相反的数 值时，压力仍然成对称分布。 I I R 出 1 婿 删 一 1 ． O 一0 ．6 0 ． 2 O ．2 0 ． 6 1 ． 0 喷嘴挡板量纲一位移 图 4 喷嘴挡板位移与主阀芯两端压力关系 通过图4可以看出在方案 2的参量组合下，当 d z ／ d r 0时， 喷嘴挡板位移一压力曲线具有较好的 线性度，桥路的灵敏度较高，图中显示主阀芯两端 压差△ 一 I 与喷嘴挡板位移的变化呈线性关 系。因此通过正交设计对各种参量进行优化组合， 就能得到最优结构参量组合 ，为水压伺服阀的水压 桥路优化设计提供了理论依据。 4 结论 f 1 提出了一种面向水压伺服阀的新型双喷嘴 挡板水压桥路模型，并进行了参量敏感性分析，运 用正交设计方法研究了相关参量及其交互作用对水 压桥路特性 的影响及其规律。 2 1喷嘴直径 以及喷嘴与挡板之间中位位移越 小，阀芯与 阀套之间配合间隙越大以及 阀芯直径越 大，阀芯与 阀套之间叠合长度越短，压力源压力越 高，桥路控制的线性度越好 。 3 、固定阻尼孔 Ⅱ直径越大，固定阻尼孔 I 直 径越小，喷嘴前端流道直径越小，阀芯与阀套之间 配合间隙以及 阀芯直径越大 ，桥路响应越快 。 4 通过实例分析 ， 发现阀芯两端压差 卸 与喷 嘴挡板位移的变化呈线性关系， 桥路 的灵敏度较高， 证明水压桥路具有优良的控制性能。 参考文献 [ 1 】US H E R S ． T o wa r d s a wa t e r - p o we r e d r o b o t [ J ] ． I n d u s t r i a l R o b o t ， 1 9 9 6 ， 2 3 4 1 9 - 2 3 ． [ 2 ]T A Y L O RPM， KI E F F E R J ， O L DA KE RR ， e t a 1 ． Awa t e r h v d r a u l i c r o b o t [ C ] ／ ／ P r o c ．o f t h e 3 2 n d C o n f e r e n c e o n De c i s i o n a n d Co n t r o l ， P a r t 2 ，De c ．1 5 ． 1 7 ， S a n An t o n i o ， US A． 1 9 9 3 ． 2 1 9 l 1 ． 1 91 2 ． [ 3 】U R A T A E ， MI Y AK A WA S ， Y A MAS H 1 NA C． H y d r a u l i c s u p p o r t o f s p o o l f o r wa t e r h y dra u l i c s e r v o v a l v e。_ i t s i n fl u e n c e o n fl a p p e r n o z z l e c h a r a c t e r i s t i c s [ C ] ／ ／ P r o c ．o f t h e 4 th S c a n d i n a v i a n ． I n t 1 ． Co n f ． o f F l u i d P o we r , F i n l a n d ， S e p t ． 2 6 - 2 9 ， 1 9 9 5 ， 2 2 9 1 0 9 2 9 ． [ 4 】 U R A T A E ， N A KAO Y S t u d y o f a fl a p p e r - n o z z l e s y s t e m for a wa t e r h y dra u l i c s e r v o v a l v e [ J ] ． J S ME I n t er n a t i o n a l J o u r n a l ， S e ri e s B ， 1 9 9 8 ， 4 1 2 2 7 0 2 7 7 ． [ 5 】 U R A T A E ，MI Y A KA WA S ，Y A MAS H I N A C ，e t a 1 ． De v e l o p me n t o f a wa t e r h y dra u l i c s e r v o v a l v e [ J ] ． J S ME I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l ， S e r i e s B ， 1 9 9 8 ， 4 l 2 2 8 6 - 2 9 4 ． [ 6 】U R A T A E ， Y AMAS H I NA C ． I n fl u e n c e o f fl o w f o r c e o n t h e fl a p p e r o f a w a t e r h y d r a u l i c s e r v o v a l v e [ J ] ． T r a n s a c t i o n s o f t h e J a p a n S o c i e t y o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， P a r t B， 1 9 9 7 ， 6 3 6 1 0 2 0 7 0 - 2 0 7 7 ． [ 7 ]U R A T A E ，MI Y A K A WA S ，Y A MAS HI NA C ，e t a 1 ． F r e q u e n c y r e s p o n s e o f a wa t e r h y d r a u l i c s e r v o v a l v e [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f 1 9 9 5 I EE E I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e On Ro b o t i c s an d Au t o ma t i o n ，2 1 - 2 7 M a y ,Na g o y a ，J a p a n ， l 99 5 2 21 2 ． 2 21 7 ． 【 8 】聂松林，贾国涛，吴正江，等．水压圆周缝隙流动特 性的仿真研究[ J ] ． 机床与液压，2 0 0 5 8 5 6 - 5 8 ． NI E S o n g l i n ，J I A Gu o t a o ，wU Z h e n g j i ang ，e t a 1 ． S i mu l a t i o n r e s e arc h o n fl o w c h ara c t e r i s t i e s o f c i r c u mf e r e n c t i a l g ap d a mp e r i n w a t e r h y d r a u l i c s [ J ] ． Ma c h ine T o o l H y dra u l i c s ． 2 0 0 5 8 5 6 5 8 ． [ 9 ]NI E S L ， H UA NG G H， L I Y P ’ e t a 1 ． R e s e a r c h o n l o w c a v i t a t i o n i n wa t e r h y d r a u l i c t wo s tag e t h r o t t l e p o p p e t v a l v e [ J ] ． P roe ． I n s t n ． Me c h ． E n g r s ． ， P a r t E ，J o u r n a l o f P r o c e s s Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 2 2 0 3 1 6 7 - 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