直动式电液比例减压阀频响特性研究.pdf

2 0 1 0年 l 0月 第 3 8卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS 0e t ． 2 01 0 Vo l _ 3 8 No ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 0 6 直动式电液 比例减压阀频响特性研究 胡燕平 ，甄海华 ，姚佳 湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭 4 1 1 2 0 1 摘要 建立直动式三通比例减压 阀动态数学模型和 S i m u l i n k 仿 真模 型 ，对 其在不 同出 口容腔体积 时的频率响应特性进 行仿真 ；构建 比例减压阀频响特性试验系统 ，完成直动式三通 比例减压 阀频响特性试验 。分析 与试 验表明 比例减压 阀的 频响带宽与阀的出口容腔体积有直接关系，当出口容腔体积从 1 ． 6 1 0 I 4 m 。 增加到3 0 0 1 0 “m 时，在额定流量和信号振 幅为平均值的3 3 ％时比例减压阀一3 d B带宽从 9 H z 减小到0 ． 2 H z 。 关键词直动式电液比例减压阀；频响特性 ；仿真；容腔体积 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 9 0 1 8 3 Th e I nv e s t i g a t i o n o n Fr e q u e nc y Re s p o ns e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Di r e c t Op e r a t e d El e c t r o- hy d r a u l i c Pr o po r t i o n a l Pr e s s ur e - r e d uc i ng Va l v e HU Ya n p i n g ．Z HE N Ha i h u a ．YA0 J i a S c h o o l o f E l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，H u n a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，X i a n a n H u n a n 4 1 1 2 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r d i r e c t o p e r a t e d t h r e e wa y p r o p o r t i o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l u e w a s p r e s e n t e d ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l b a s e d S i n ml i n k s o f t wa r e w a s b u i l t ． T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e v a l v e w e r e s i mu l a t e d ． An e x p e r i me n t a l s y s t e m f o r t e s t i n g t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s w a s b u i l t u p ． T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e e x p e r i me n t s w e r e f i n i s h e d ． T h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d t he e x p e r i me nt s s h o w t h a t t h e b a n d wi d t h o f t he v a l v e d e p e n ds on o ut l e t v o l ume ． Whe n o u t l e t v o l u me c h a n g e f r o m 1 ． 6 x 1 0一 m t o 3 0 01 0一 m ．t h e b a n dwi dt h a t 一3 dB i s f r o m 9 Hz t o 0． 2 Hz ． Ke y wo r d s Di r e c t o p e r a t e d e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e ； F r e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c； S i mu l a - t i o n； Ou t l e t v o l u me 在直动式电液比例减压阀的某些特殊使用场合， 如在煤矿液压 防爆提升机和煤矿井下架空乘人装置 中 使用直动式 电液 比例减 压 阀对主 液压 泵排量 进行 控 制 ，以实现提升机速度 和架空乘人装置运行速度的控 制等 ，需要 电液 比例减压 阀具有较高的频 响特性 ，以 适应系统快速响应的要求。虽然市场上提供的直动式 电液 比例 减压 阀提供 了某 些 动态特 性指 标 ，如 A t o s 公司生产 的 R Z G O A直 动式 比例减 压 阀额 定 响应 时 间 44 5 m s ；但 实际的直动式 电液 比例 减压 阀动态特 性除与阀本身的结构及参数有关外 ，还与系统环境有 直接 的影响 ，特别是与 阀出口容腔体积密切相关 。作 者通过仿真分析和试验 ，研究 了直动式 电液 比例减 压 阀的频响特性，为要求快速响应的煤矿电液比例控制 系统提供参考。 1 直动式电液比例减压阀数学模型 图 1 是一种直动式电液比例减压阀原理图，减压 阀口处于常闭状态 ，阀芯右端面作为出口压力的测压 面，节流阀作为 比例减压阀负载 。比例电磁铁产生推 力 ，阀 芯 向 右 移 动 ， 阀 口全 开 ，液 压 油 由 P 口流入 A 口，出 口 压力 P ， 作用在 阀芯右 端 的小 活塞 上 ，当 负 载增 加 ，出 口压 力 增 加 ，当 出 口压 力 产 生 的推 力 与 电磁 力 达 到 平衡 时 ，阀芯 向左 移 图 1 直动式电液比例 减压阀原理图 动 ，关小阀 口，使 出口压力不再增加 ，实现对 出口压 力 的控制 。稳 态时 阀芯的受力平衡方程为 F B p 2 l 戈 0 1 式中 为比例电磁铁输出指令力，N； P ， 为减压阀出 口压力 ，P a ； A为出 口压力反馈作用 面积 ，m ； 为复位 弹簧刚度 ，N ／ m； 为阀芯位移 ，m； 为阀芯预压缩量 ，IT I 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 5 基金项目湖南省教育厅重点资助项目 0 6 A 0 1 9 作者简介胡燕平 1 9 5 7 一 ，男 ，教授 。电话 0 7 3 1 5 8 2 9 0 5 4 4 ，E m a i l y p h u h n u s t ． e d u ． e n 第 1 9期 胡燕平 等直动式电液比例减压阀频响特性研究 1 9 如果因外载荷使出口压力对阀芯的作用力大于电 磁力，阀芯左移，A口与 T口相通，使 A口压力下 降 ，直 到阀芯处 于新 的平衡 位置。 根据 出 口容腔 的流量连 续方程 、阀芯受力平衡方 程和比例 电磁铁线 圈动态方 程及 电磁吸力 方程 ，可得 该比例减压阀的动态数学模型。 在比例电磁铁的水平 一 位移特性范围内，比例电 磁铁 的力方程可用下述方程来描述 ” F B i K3 y 2 式 中 为 比例 电磁铁输 出指令力 ，N； 为 比例 电磁铁 的电流 一 力增益 系数 ，N ／ A； 为比例电磁铁位移 一 力增益系数 ，N ／ m； i 为线圈中的电流 ，A； Y为衔铁位移，m。 线圈电路的电压方程可简写为 u R i 安 3 d ￡ u D l U 一“ r 4 M f D 2 i 5 式 中 为放 大器输 出电压 ，V； 尺为线圈电阻和放大器 内阻 ，取 1 4 Q； 为线圈电感 ，取0 ． 1 H； u 为放大器输入 电压 ，V； k 。 为放 大器 电压放大系数 ，取 2 ． 2 4 ； 啦为比例电磁铁的电流反馈增益 ，取 6 ． 2 5 V ／ A ； u 为反馈电压 ，V 。 阀芯的受力平衡方程为 机 。 v 枷 警 6 式中 m为 阀芯质量 ，k g ； B 为阀芯的黏性阻尼系数 ，N s ／ m； B 为瞬态液动力阻尼系数 ，N s ／ m； 为稳态液动力弹簧刚度，N ／ m。 减压 阀 口压力 一流量方 程为 一 Q c d √ p 一 P 2 7 式 中P 。 为减 压阀进 口压力 ，P a ； W为阀 口面积梯 度 ，m； C 为 阀 口流量 系数 ； P为工作油液密度 ，k g ／ m 。 作为负载的节流阀阀口压力 一 流量方程为 Q 。 C √ 8 式中a 为节流阀口过流面积 ，1T I 。 减压阀 出口流量连续方程为 Q 一 d x 9 式中 为出口受控容腔液体总容积，IT I ； E为油液 的体积弹性模量 ，N ／ m 。 根据上述 9个方 程可 以得 到该 比例 减压 阀的 S i m u l i n k仿真模型，整个直动式 比例减压阀的模块化 仿真模型如图 2所示。图中设减压 阀人 口压力为 1 8 M P a ，输入信号为正弦波，模块 i 为比例电磁铁线圈 电压 一电流模 块 ，输 出参 数 为 电流 i 。 模 块是 阀芯 力平衡模块 ，输 出参数 为阀芯位移 。P 模块是 减压 阀出 口流量 平 衡模 块 ，输 出参数 为减 压 阀 出 口压 力 P，o 图2 直动式比例减压阀S i mu l i n k仿真模型 设置的仿真参数如表 1 所示。 表 1 比例减压 阀仿真参数 参数 参数值 参数 参数值 m／k g 0． 01 5 W／m 2 ． 51 2 X 1 0一 。 N m。 1 ． 4 X1 0 K l ／ N i n 2 5 0 0 p ／ k g m 8 6 0 B v ／ N m 6 ． 5 ／ N- A 6 0 ． 6 4 P 1 ／ P a 1 81 0 C d 0 ． 6 2 a l ／ m 2 ． 1 61 0一 ／m。4 ．1 5 3 x1 0一 ／ N 1 “I 1 1 6 0 0 0 输入信号为 6 2 s i n t o t 。在阀芯质量为 0 ． 0 1 5 k g 、体积 分别 从 0 ． 81 0 “i n 至 3 0 01 0 n l 进 行了频响特性仿真 。 频率／ Hz ．1 50 ．1 2O -90 鉴． 6 0 ．30 O 0 图 3 体积 为 1 ． 61 0一 m 时的伯德图 频 率／ Hz 0 ． 1 O ． 2 0 ． 4 1 1 ． 6 4 8 0 ．3 兽 ． 6 ．9 堡 ． 1 2 ．1 S ．1 8 1 1 ．1 嫒。 ． 图 4 体积 为 1 3 61 0一 m 时的伯德图 2 O 机床与液压 第 3 8卷 图3为 比例减压 阀出 口体积为 1 ． 6 X 1 0 m 。 时仿 真得到的出 I I 压力 响应伯 德 图 ，其 幅频 宽为 1 6 H z ， 相频 宽 为 3 6 H z ，因 此 ，比例 减 压 阀 出 口体 积 为 1 ． 6 X 1 0 m 时的频 宽为 1 6 H z 。 图4为比例减压阀出口体积为 1 3 6 1 0 m 时仿 真得 到的出 口压 力响应 伯德图 ，其 幅频宽为 1 ． 6 H z 。 相频宽为 6 H z ，因此 ，比例减压阀出 口体积为 1 3 6 X l O r n j 时的频宽为 1 ． 6 H z 。 改变 比例减压 阀出 口体 积 的 大 小 ，通 过 仿 真 分 析，得到图5 所示的比例减 萋 压阀频 宽与 出口体积 的关 系。可 以看 出，随着减压 阀 出 口受控 容腔 体 积 的增加 ， 幅值 响应频率可 以分 为 3个 图5 幅值响应频率与体 部分 ，体 积 V从 0 ． 81 0 一 积 的关系曲线 m 到 1 01 0 m 之 间响应 频率 高 ，在 l 6 H z到 1 4 H z 之间；体积 从 1 0 1 0 m 到 1 0 01 0 ～m 之间 响应频率下降很快 ，从 1 4 H z 下降到 2 H z ；体积 从 1 0 01 0 I n 到 3 0 01 0 “m 之 间响应频率低，在 2 Hz以下 。 2直动式电液比例减压 阀频响特性试验 l 一 过 滤器2 一 变量 泵3 一 安全 阀4 一 电磁 换 向阀5 一节 流 阀 6 ～压力毒7 一被试阀8 一压力传感器9 一流量传感器 I l 卜 流量 计 图 6 比例减压阀试验 系统 图 该 比例减压 阀测试系统如 图 6 所 示 ，主要 由变量 泵 、溢流阀、节流阀 、压力传感器 、流量传感器 、流 量计 、压力计和被测试 比例减压 阀组成。通过调节溢 流阀 3的压力得到减压 阀进 口压力 ，在减压阀进 口前 装有压力表 6 a 可 以测得减 压阀 的进 口压力 ；用节 流 阀5 b的节流作用对该比例减压阀进行模拟加载 ，通 过调节它的开度可以调节通过被试 比例减压阀的流 量 ；流量计 1 O和流量传 感器 9用来 采集通过 被测 比 例减压阀的流量；压力表 6 b和压力传感器 8 ，用来 测量比例减压阀出口压力，从压力表 6 b可以直接观 察出口压力的值，用它同压力传感器 8 采集到的压力 做 比较 ，用来标定压力传感器采集的压力值 。计算机 通过数据采集卡对 比例 减压 阀的流量 、出口压力参数 进行采集并对试验进行控制，此试验系统可以完成比 例减压 阀的稳态和动态特性测试。 根据仿真参数 ，考虑到出 口受控容腔体积 的连 续改变有一定的难度 ，作者在 出 口受控容腔体积 为 1 ． 6 X 1 0 “m 和1 3 61 0 m 两种状态下对直动式比 例减压阀进行了频响特性试验。 图7是体积 为1 ． 6 X 1 0 m 时，输入信号频率 为从 0 ． 1 ～ 3 0 H z 时 的出 口压力 响应伯德 图。可 以看 出，其幅频宽为 9 H z ，相频宽为 1 2 ． 5 H z ，实 际的频 宽为 9 H z 。 图8是体积 为 1 3 6 X 1 0 。m 时，输入信号频率 为从 0 ． 1 ～ 4 H z 时的出口压力响应伯德 图。可 以看 出 ，其幅频宽只有 0 ． 7／ - I z ，相频宽为 1 ． 1 H z ，实 际的 频宽为 0 ． 7 H z 。 频率／ Hz 频 率／Hz n l n 2 n S 1 2 4 9 2n n 1 n 2 n 4 n 7 2 4 O ．3 兽 ． 6 嘲一 9 一12 ．1S ．1 8 图7 体积 为 1 ． 6 X 1 0 “ n l 时的 实验伯德图 0 ．3 笔 ． 6 崮一 9 馨 ． 1 2 ．15 ．1 8 ． 21 0 1 8 O 一 ．1 5 O 。 l2 0 鉴 ． - 9 ．3 0 0 0 ． 图8 体积 为 1 3 6 X 1 0 m 时的 实验伯德 图 从仿真和试验结果来看，仿真时的响应频率大约 是试验时响应频率的2 倍。存在误差的原因是油液的 体积弹性模量、油液黏性系数等参数取值的不确定 性 。但试验结果与仿真结果 的响应频率与 比例减压阀 出口容腔体积 的变化趋势有较好的一致性 。 3 结论 通过对 比例减压阀频响特性仿真和试验的数据分 析 ，可得到如下结论 1 直动式 电液 比例 减压 阀的频 响特 性 除与 阀 本 身特性有关外 ，与 电液 比例减压 阀出口容腔的大小 密切相关，当出口容腔较小时，阀的频响特性高，文 中研究的直动式 电液 比例减压阀在 出 口容 腔为 I ． 6 X 1 0 一m 时其响应频率为 9 H z 。 2 当电液比例减压阀出口容腔足够大时，如 出口容腔体积大于 1 0 01 0 m 时，其响应频率将 小于 1 H z 。 3 根据试 验分析 ，对 于 6通 径 的直动式 比例 减压 阀，通过适 当的系统设计 ，在额定流量和信号振 下转第2 4页 2 4 机床与液压 第 3 8卷 程 1 3 一 1 5 的渐变 曲线 。 其 中采用的参数与 8 次 方曲 线方程采用 的参数一致分 别 为 R 6 0 m m，r5 0 m m， ,r r ／ 2 ，具体 5次方 组合过渡 曲线速度、加速 度、加速度率渐变 曲线 如 图 5 7所示。 图 5 5 次方过渡 曲线 角度与速度关 系 图 6 5次方过渡 曲线角 图 7 5次方过渡 曲线角 度与加速度关系 度与加速度率关系 从图5 可以看出，5次方组合内轮廓过渡曲 线的速度 、加速度、加速度率不仅能够同8次方过渡 曲线的速度、加速度 、加速度率一样从过渡始点 0 0到过渡终 点 0 , r r ／ 2连续光滑过 渡 ，而且在 过渡点 0 0和 0 r r ／ 2处 ，速度 、加速度 、加速度率都等 于 零。根据 图 2 7可 以看 出 5次方组合 过渡 曲线 的速 度 、加速度 、加速度率最高点与 8次方过渡曲线 的速 度 、加速度 、加速度率最高点差值 比率分别为 y 口 5一 8 ／ v 81 4 ． 2 51 2 ． 7 3 ／ 1 2 ． 7 3 l 1 ． 9 4 ％ 0 50 8 ／ a 8 3 1 ． 6 72 4 ． 3 1 ／ 2 4 ． 3 1 3 0 ． 2 7％ 7 ， J 5一．， 8 ／ J 1 0 8 ． 21 3 0 ． 5 ／ 1 3 0 ． 5 一 l 7 ． 08 ％ 从 以上数据及 图 2 _7可以看 出，虽然 5次方组 合过渡曲线在速度和加速度最大值点大于8次方过渡 曲线，但是 5次方组合曲线不但满足了理论理想渐 变 ，而且 5 次方组合过渡曲线的加速度率渐变 曲线 比 8次方加速度率渐变曲线平缓 ，激 荡频率小 ，所 以叶 片在 5次方组合过渡 曲线下对定子 内表面的助振作用 会 比8次方过渡曲线小 ，在噪声性能方面会 比 8 次方 过渡曲线优越。同时可以推知，5次方组合过渡曲线 由于其次数少，使得它在加工精度和加工成本上具有 一 定 的优越性。 4结论 定子内轮廓 曲线 ，在很大程度上决定了叶片泵 的 使用寿命、流量脉动、流量均匀稳定等特性。作者参 考其他高次过渡曲线的优点，通过有效地组合正弦曲 线相似的运动规律 ，设计 出 了 5次 方组合过 渡曲线 。 5次方组合过渡 曲线具有如下特点 1 在标准圆弧和过渡曲线衔接过渡点处能够 满足速度 、加速度、加速度率为零的理论理想过渡渐 变及助振振 幅和变化频率小 的特点 。 2 方程次 数少 ，在加工 精 度 、加工 成本 上 比 现有 的高次过渡曲线更具优越性。 由此可知 ，5次方组合过渡 曲线不 仅满足 了低 噪 声运动规律要求，而且改善了叶片泵定子内轮廓曲面 的加工工艺，可为现有常用叶片泵的改进设计和叶片 泵的生产厂家提供一定 的参考。 参考文献 【 1 】黎克英， 陆祥生． 叶片式液压泵和马达[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 9 3 6 41 4 8 ． 【 2 】 黄谊． 叶片泵高压化 中的低噪声 问题[ J ] ． 液压工业 ， 1 9 8 6 7 6 5 6 6 ． 【 3 】 王天祥， 何利民， 任吉娟． 刚性转子式叶片泵最佳过渡曲 线的研究[ J ] ． F L U I D MA C H I N E R Y， 2 0 0 6 3 2 4 7 8 ． 【 4 】厉淦 ， 裘信国， 陈呈频， 等． 叶片泵噪音阶跃消除方法的 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 9 9 0 9 1 ． 【 5 】祝海林， 葛乐通． 平衡式叶片泵的低噪声定子曲线[ J ] ． 江苏工业学院学报， 2 0 0 3 4 4 1 4 3 ． 【 6 】 邹慧君， 傅祥志， 张春林． 机械原理[ M] ． 北京 高等教育 出版社， 2 0 0 5 1 0 81 1 7 ． 【 7 】 王正林， 刘明． 精通 M A T L A B 7 [ M] ． 北京 电子工业出版 社 ， 2 0 0 8 1 2 3 4 8 9 ． 【 8 】C h r i s t i a n B R o t o d y n a mi c ． T w o a c t i n g p u m p p e r f o r m a n c e f J ] ． S P E 2 8 5 1 6 ， 1 9 9 4 ． 上接第2 0页 幅为平均值 的 3 3 ％时 ，最高响应频率可达 9 H z 。 参考文献 【 1 】E l m e r K F ， G e n t l e C R ． A p a r s i m o n i o u s m o d e l f o r t h e p r o ． p o r t i o n a l c o n t r o l v a l v e 『 J 1 ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ． P a r t C J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e fi n g S c i e n c e ， 2 0 0 1 ， 2 1 5 C 1 1 1 3 5 71 3 6 3 ． 【 2 】 D a s g u p t a K ， Wa t t o n J ． D y n a m i c a n a l y s i s o f p r o p o r t i o n a l s o l e n o i d c o n t r o l l e d p i l o t e d r e l i e f v a l v e b y b o n d g r a p h[ J ] ． S i m u l a t i o n M o d e l l i n g P r a c t i c e a n d T h e o r y ， 2 0 0 5 ， 1 3 1 2l一 3 8． 【 3 】B o r a E r y i l m a z ， B r u c e H Wi l s o n ． U n i f i e d m o d e l i n g a n d a n al y s i s o f a p r o p o r t i o n a l v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f t h e F r a n k l i n I n - s t i t u t e ， 2 0 0 6， 3 4 3 1 4 8 6 8 ． 【 4 】L i u J i n r o n g ， J i n B o ， X i e Y i n g j u n ， e t a1 ． I n v e s t i g a t i o n o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a n e w h i g h e q u e n c y t h r e e - wa y p r o p o r - t i o n a l p r e s s u r e r e d uc i n g v a l v e i n v a r i a b l e v alv e s y s t e m o f a u t o m o b i l e e n g i n e[ J ] ． I n d i a n J o u r n al o f E n g i n e e ri n g＆ Ma t e r i al s S c i e n c e s ， 2 0 0 9 ， 1 6 1 71 3 ．