仿真直动式溢流阀瞬态响应的键合图法.pdf

阀 门 2 0 0 1 年第 5 期 文章 编号 1 0 0 2 5 8 5 5 【 2 0 0 1 0 5 0 0 1 2 0 5 仿真直动式溢流阀瞬态响应 的键合图法 部 红梅 合肥 工 业太 学 机摊 与 汽车 工 程学 院 ，安穗台 肥2 3 0 0 0 9 摘要介绍 1用键 旮 圜法仿真 直动 式溢流 阀的瞬态响应 。将 直动 式溢 流 阀接入 一个 易于反映 阀的动态特性 的液压 系统 ，绘 出该 系统 的键 合图。根据 键合 图推导 出系统 的状 态方程 ，从而仿真 出直动 式溢流 阀开 口瞬时 系统 的压 力和 阀芯位移随时 问的变化 曲线 。 关键 调直 动式 溢流 阀 ；键 台围 ；数字 仿真 ；瞬态 响应 中 国分娄 号 T i t 1 3 7． 5 2 文献 标 识 码 A Bo nd g r a ph me t ho d f o r t he e m u l a t i o n o f d i r e c t - ac t i ng s pi l l o v e r v a l v e’ S t r a n s i e nt r e s po n s e ZHENG Ho n g me i S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo b i l e ．Hde i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ，He l d 2 3 0 0 0 9 ．Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a b o n d g r a p h me t h o d f o r e mu l a t i n g t h e t r a n s i e nt r e s p o n s e p rope r t y o f d i r e c t a c t i n g s p i U o v e r v a l v e ． A h y d r a u l i c s y s t e m wi t h a d i r e c t - a c t i n g s p i U o v e r v a l v e i s b u i l t u p．By t h e c o n c e p t o f b o n d g r a p h． t h e s y s t e m ’ S b o n d g r a p h mo d e l i s p res e n t e d a n d t h e s y s t e m ’ S s t a t e e q u a t i o n s a re d e riv e d Emu l a t i n g t h e s t a t e e q u a t i o n s ， th e s y s t e m ’ s p r e s s u re a n d t h e s p o o l d i s p hc e me n t d u r i ng t h e t i me j u s t a f t e r t h e v a l v e s p i l l i n g a lo e g o t ． Ke y wo r d s Di r e c t - a c t i ng S p i l l o v e r Va l v e ； B o n d Gr a p h； Emu l a t e ； Tr a n s i e n t r e s p o n s e 1概述 直 动式溢 流阀是 利用 直接 作用于 阀芯上 的 弹簧 力与阀芯 另一端 的液 压力相平衡 的原理 控 制压 力的。该 阀弹 簧的弹性模量大 ，当流量较 大时，阀的开 口大，使弹簧产生较大的变形 量，此 时阀所 控制 的 压力 随流量 的变化 较 大 。 在液 压系统 中，溢流 周的应用较 广．而其开 口 瞬时系统压力 的波 动．直接影 响液 压系统工作 的稳定 性 ，所 以 研 究其 瞬 态 响应 有 重 要 的 意 义 。 键合图理论是一种对工程系统进行动态分 析的方法，以状态方程作为数学模型的形 式， 只要能画 出键台 图，即可通过 对系统 功率的传 输、转化、储存和耗散进行描述很容易地得到 方程，建立系统的数学模型，进而对系统进行 描述和分析 。该方法广泛 地应 用于机械 、液压 和 电学等各个 学科领域 。 2工 作原理 图 1为直动 式溢流 阀。压力 油 由进 油 口 P 上的径 向 孔 和阻 尼孔 a作用 于 阀 芯底 都端 面 上，当作用于端面上的液压力大于弹簧的调定 压力时，阀芯上移，阀门打开，多余油经回油 怍者两介 鄙红梅 1 9 6 6 一 ．女．安徽省长丰县人．在职博士 ．讲师，从事教学与科研工作 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 5 期 阀 门 口 T 回油箱。 1 ． 调 压 顶 盖2 弹簧3．罔 芯 图 1 直 动式 溢 流 阎 为研 究直 动式溢流 阀的瞬态 响应 ，将 阀接 入 图 2所示 的液压系统 。定量液压泵 视为流 源 供 油经 二 位二通 电磁 阀及节 流 阀 回油箱 。 电磁 阀开 启时， 因节流 阀液阻小 ，系统油压小 于 溢流 阀的调 定压力，溢 流 阀不溢流 。当 电磁 阀突然关 闭时 ，系统 中的油压将 迅速 升高 ，使 溢 流 阀打开 溢 流 ，从 而达 到控 制 油 压 的 目的 。 溢 流 阀开 口瞬 间的动态 响应 系统压力和 阀芯 位移随 时间的变化 曲线也反映 了溢流 阀的动 态 特性 。 图 2 接 人 溢 流阎 的 系统 应用键舍 图理论对直动式溢流阀进行数字 仿真，可以较方便地描述溢流阀开口瞬间的动 态响应 ，从而 为改进 溢流 阀的设 计或控制液压 系统提 出相应 的理论 依据。 3建立 键合囝 按 照键合图理 论，描述 一个 工程 系统主要 使用 容 性 元 件 C 电容 器 、液 压 系 统 的蓄 能 器 、油液 的 可 压 缩 性 和 管道 的弹 性 产 生 的容 性 、 阻性 元 件 R 电阻 、摩 擦 力 、液 阻 、 惯性元件 j 电感、液感、机械系统的质量及 转 动惯量 、势 源 s 电源 、柴油机 、可 调 压 的液压 泵 、流源 s 发 电机 、定 量泵 、传 动 轴 、转换 器 MTF和 回转 器 MGY。将这 些 基 本 元件按照 一定的方 法相 连即 可构 成系统 的键 合 图。 在键合图理论 中，称能量在子系统闻流动 的地方为通 口．每个通口用带半个箭头的线即 键表 示 ，每 个 键 对 应 一 个 势 变 量 和 一 个 流 变 量 。按键合 图理 论 ，物理 参量统一 归纳为 广义 变 量，即 功率 变量 势 和流 _厂 ，能 量变 量 变 位 q和 动量 P。其相 互关系为 e Rf q Ce P I f 根据功率 守恒 原理 ，MF T转 换 器 反 映 势 流 比例关 系 e l 1 ,,,l e 2 mfl f2 MG Y 回转器反 映势和流 的交叉 比例 关系 e l r f2 r ，l e 2 式 中m 转 换模 数 r回转 器模数 组成 键合 图模型 时，势相 等各 键用 “ o _ _ ” 结相 连，流相 等 的 各 键 用 “ 1 一” 结 相 连 。根 据 键合 图的组成规律 及直动式溢 流阀 的工 作原 理 ．绘 出图 2液压 系统的键合 图 图 3 。 在 图 3中。流 源 S 为定量液 压 泵 的供 油 量 ，c。 为管道 的弹性 及 管道 内的 油液 I 起 的 液 容，R 2为泵 的泄露液 阻， R3 为溢 流阎 阀 口 液 阻 ，R 为节流 阀液阻 ，Q 为进入 阀芯 的流 量 。 Ql Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 S ， ， p 1 P2 P3 P4 P 5P 6 ， 所以． 左边 第 一 个 结 点 为⋯ 0结点 。 阎芯 流量 Q 具 有 的压 力 P 6消耗 在 阻 尼 孔 R． 及作用 在 阀芯 端 面 A 上 ，P 7为消 耗 在 阻尼孔上的压力降，P 。为作用 在阀芯端面上 的压 力 。P 6 P 7P 8 ；Q6 Q7Q8 。 所 以 左 边第二个结点 为 ⋯ 1 结点 。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第 5 期 s t i一 --0 ／ ／ q 图 3带有 直 动式 溢 流 阀 的液 压 系统铤 合 图 阀芯 相 当于 MT F转换 器 ．它把作 用 在 阀 芯端面上 的 压力 P 8和 流 量 Q8转换 成 作 用在 阎芯上 的力 F 。和 阀芯运动 的速 度 ， ，它们之 闻的 转 换 关 系 为 面 积 A。Ap 8F9 ． Q8 Av 9 。F9 F1 o F1 1 Fl 2 ．Fl 0 克服 弹簧 的预 紧力 S ．Fl l 克服 因阀芯位 移压 缩弹 簧而 增 加 的弹性力 属容 性 教应 ．用 C2表 示 ． FI 2 使 阀芯产 生加 速 度 屑 感性 效 应 ．用 I 表 示 。 因此最右边 的结 点也是 “ l ”结 点。 在该 图中 ．全箭头 的控制 键表示 阀芯的速 度 1 1 的积分 即阀芯 的位移 2 F , l 1 ．它控 制 阀 口液阻 R1 。 4 建 立数学模型 当该液 压系统 的键合 图画出后 ．建立系 统 的数学模型 就 比较简单 了，根 据系统 的物理性 质有 Q2 2 1 1 1 主1 1 2 F l 2多 1 2 3 式 中， 2 为 油压 升 高 时需 补 充的油 液 体 积，“2 1 1 为阀芯 的位移 ，Pl 2 为 阀芯的动 量。三 者均 为系统 的状 态变 量，系统输入变 量为 2个 常量 5 ， Q1 和 。 根据 各储能元件 的特性得 l 2 Pl 2 ／ I 4 F】 1 “／ C2 5 P 2 V2 ／ C 1 6 根据 键合 图的规则 ，将 各状 态变量的导数 写成 各能量变 量及输入变 量的函数关 系 多 1 2 F 9 一Fl 0 一F 1 l Ap 2一 A R1 l 2一 S 一Fl l 7 L 1 u Pl 2 ／ r 8 2 Q1 一 Q3一 Q4一 Q 5一 Q6 s ，一 1 一A 9 设 阀 芯搭 合 量 为 l ，即 当 l l Y l 时 ，阀 口打 开 ，才有 溢流 ， 由 于滥流 阎阀 口液阻 为非 线性 可变液 阻 ，阀 口流 量随 阀 口的压 力差 和 阀芯位 移 的变 化 而变 化 ， 阀 口压差 A pP 6 0P 2 ，所 以 薏 C d z l 1 一 1 J P 2 1 0 ／ y 2 R3 ⋯ 式 中 阀 口流量 系数 。 油液的密度 d 阀芯端面直径 1 f C O N S T 调定值 R l 0 电磁阀突然关闭．不溢流 电磁 阀突然关 闭 时．R 的突 然 变化 体 现 了系统 的输 入信号 是一个阶跃信 号， 由此 阶跃 信号 引起 的系统动态 响应即是 直 动式溢流 阀的 瞬态 。 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 0 0 1 年第 5 期 阀 门 根据式 1 ～ 1 2 得出状态方程的标 准形式，即系统的数学模型如式 1 3 所示。 。 一 一 X l l A V2 P1 2 一 一 一 1 1 P1 2 I t 一 一 S ， 当 l l ≤ 1 1 3 一 一 一 5 xn y t 由于在 建立该 系统的数 学模 型时未 考虑当 式 1 3 写成 矩 阵形 式 。 阀芯位 移 为零 时， 阀 套端 面给 于 阀芯 的 支 反 力，而且 油液 的压力不应小 于零 ．所 以在仿 真 过程中还 需 对该 数学模 型 加 3个 约束 。① 主 ≥O ，否则，令 其为 0 。②P2 ≥ O ，否 则 ，令 其 为 0 。③若 zl 1 0时，F1 2 2 f n Ⅱ M 丝 6 6 6 n M ， 6 6 6 i f ∞ 打 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 1 年第 5 期 匡 至圈 【 堑空 直堕回 垦 堕蔓焦壁堕旦 笪堡 1 0 图 4数字 仿 真 程 序框 图 基本 吻台 。表 明在仿真 直动式 溢流 阀瞬 态响应 过程 中所建 立 的数学 模型 的 可行性 和有效性 。 在设计和 改进直动式溢流 阀 时，不需要将其制 造 出来 ．而利用本文所建 立的数学模 型进行仿 真 ，即可检 验 出改进的 溢流 阀性 能是 否符合用 户的要求 ，在溢流 阀的 设计和改进过 程 中具有 很 重要 的实际意义 。 P I O ‘ 图 5 仿 真 结果 图 6 测 试 结果 参考文献 [ 1 播亚东链合图概论[ M重庆 重庆大学 出版社． 1 9 9 0． 1 5 ～ 6 2 [ 2 ] 黄玉国 ．基于状态方程的液压控制系统的动态特性的 数字仿真[ D 安 徽合肥 工业太学 ．1 9 9 6 ．3 1 ～ 4 3． [ 3 何玉彬，余安 萍．V i s t 1 c ”5 ． 0编程指南[ M ．西 安 西安 电子科技太学出版社．1 9 9 8 ．1 7 ～7 4 [ 4 ] 蒋守仁．赵小勇．蒋丹青等键 合图法在液压伺服系 坑动态特性中的应用m合肥工业太学学报．1 9 9 5 ． 1 8 { 2 {1 0 4～1 1 2 ． 收谒 日期 2 0 0 0 0 3 ． 2 0 本 厂是 专 业生产美 标、 日标和 国标 等 高中压 阀门的企业 ，座 落于浙 江省 温 州三桥 工业 区。为适应 生产 和 业务发 展的 需要 ，经永 嘉县才服务 中心 批 准，诚聘 高级工程 师 1名 ，高级 管理 员 1名 ，精通 英语和 网络 的销售 员 1名。本 厂 热忱 欢迎懋 的加盟 。 浙 江 远 东 高 中 压 阀 门 厂 地t；浙江省温州三桥工业区 -嗣3 2 5 1 0 5 电话0 5 7 7 --6 7 3 1 6 7 7 1 ～ 维普资讯 VALVE DESIGN QQ40444436 VALVE DESIGN QQ群号40444436 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载