键合图在电液比例多路阀建模中的应用研究.pdf

2 0 1 3年 8月 第 4 1卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ．1 5 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 5 ． 0 4 9 键合图在电液比例多路阀建模中的应用研究 吴 家柱 贵州詹阳动力重工有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 0 6 摘要分析电液比例多路阀中各能域之间的相互耦合作用，运用键合图理论建立了该阀的键合图模型，模型的模块化 结构准确而形象地表达了该阀的实际物理模型。针对一些文献运用回转键合图元 G Y来表示机械 一电磁之间的耦合关系， 文中运用具有混合场的键合图元 ， C来表示机械 一电磁之间的耦合关系，能够更加准确地描述电磁铁动作的物理特性。 关键词电液比例多路阀；耦合作用；键合图理论；物理特性 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 51 8 4 3 Ap p l i c a t i o n o f Bo n d Gr a p h s f o r M o d e l i n g o f El e c t r o - h y d r a u l i c Pr o po r t i o n a l M u l t i t a n d e m Va l v e WU J i a z h u G u i z h o u J o n y a n g K i n e t i c s C o ． ，L t d ． ，G u i y a n g G u i z h o u 5 5 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Mu t u a l c o u p l i n g e f f e c t a mo n g e a c h e n e r g y d o ma i n i n 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 mu h i t a n d e m v alv e we r e a n a l y z e d ． U s i n g b o n d g r a p h s t h e o r y ， b o n d g r a p h s mo d e l o f t h e 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 al mu h i t a n d e m v a l v e w a s e s t a b l i s h e d ． B y mo d u l a r s t r u c t u r e ，t h e a c t u a l p h y s i c a l mo d e l o f t h e v a l v e w a s e x p r e s s e d a c c u r a t e l y a n d v i v i d l y ． I n s o me p a p e r s ，gyr o b o n d gra p h e l e me n t GY wa s u s e d t o e x p r e s s e d c o u p l i n g r e l a t i o n s h i p b e t we e n ma c h i n e r y a n d e l e c t r o ma g n e t i c ． B o n d g r a p h e l e me n t I C wa s u s e d t o e x p r e s s C O U p l i n g r e l a t i o n s h i p b e t we e n ma c h i n e ry a n d e l e c t r o ma g n e t i c ． I t c a n mo r e a c c u r a t e l y d e s c r i b e p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f e l e c t r o ma g n e t ． Ke y wo r d s E l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l mu l t i t a n d e m v a l v e；C o u p l i n g e ff e c t ； B o n d gra p h s t h e o ry ； P h y s i c a l c h a r a c t e ris t i c 电液比例多路阀作为液压系统的重要部件 ，主要 应 用于挖 掘机 、推土机 、汽车起重机 、伸缩臂叉车等 工程机械。与传统多路阀相比，能实现流量或压力连 续按比例的控制，具有控制性能好、控制精度高，易 于实现 自动化、智能化控制 ，安装使用灵活等优点。 由于电液比例多路阀具有非线性、多能域耦合的 特点 ，而传统的建模方法对于多能域耦合系统的建模 具有局限性 ，难以用统一的形式对系统进行建模和数 字仿 。与其他建模方法相比，键合图法能够准确 而形象地描述系统模型，建立的模型与实际物理模型 更相符。此外 ，键合图理论既可用来模拟多输入、多 输出系统，也可用来模拟线性或非线性系统。这种方 法具有形象、直观、模块化结构、调用方便、建模规 则化等优点 。作者以片式结构电液比例多路阀中的 一 片比例阀为研究对象，运用键合图理论建立该阀的 机械 一电磁、机械 一 液压相互耦合的键合图模型。 1 电液比例多路阀工作原理 图 1 为高速开关阀为导阀的电液比例多路阀原理 图。其中高速开关阀 1 为两位三通螺纹插装式球阀结 构 ，其控制方式为脉宽调制 P WM 。电液 比例多路 阀通过施加一系列 P WM信号，使高速开关阀快速地 交替开启、断开 ，实现对先导油液的交替通 、断控 制 ，并利用高速开关阀进、泄油 口形成的可变液阻所 构成的A型液桥 即输入、输出液阻均为可变液阻 来控制功率级主阀阀芯的位移，最终实现对电液比例 多路阀的控制。通过调节 P WM信号的脉宽占空 比的 大小，可以实现对电液比例多路阀流量的连续按比例 的控制 。 l 一 高速 开 关 阁2 一 主 阀 图1 电液比例多路阀原理简图 2耦合作用分析 根据电液比例多路阀的工作原理，电液比例多路 阀存在机械 一电磁耦合系统和机械 一液压耦合系统。 2 ． 1 机械 一电磁耦合 系统 电磁铁作为电液比例多路阀的电 一机械转换器， 是电磁系统与机械系统紧密联系的桥梁。电磁铁之所 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 2 7 、 作者简介吴家柱 1 9 8 3 一 ，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为电液系统与控制、工程机械装配工艺与装备。 E m a i l w u j z l 8 1 8 s i n a ． e o m。 第 l 5期 吴家柱 键合图在电液比例多路阀建模中的应用研究 1 8 5 以能产生动作 ，主要是 因为线圈电流使磁路产生磁 通 ，磁通使磁路产生电磁力。电磁力与磁通的关系可 表示 为 式中F 。 为电磁力； 为磁通 ；／x 。为真空磁导率； A s o 为主工作气隙截面积。 磁通不仅受线圈电流的影响，也受衔铁位移的影 响。其关系可表示为 2 式中 ￡ 为线圈电感，是衔铁位移的函数 ；N为线 圈匝数；i 为线圈电流，其他参数同上所述。 综上分析，线圈电流使磁路产生磁通 ，磁通使磁 路产生电磁力 ，电磁力导致衔铁产生位移，而衔铁位 移反过来影响磁通 ，使线圈产生反感电动势，进而影 响线圈电流。磁通与线圈电流、衔铁位移之间的这种 相互影响关系，实现了机械域与电磁域的耦合。 2 ． 2 机 械 一液 压耦 合 系统 电液比例多路阀中的机械 一 液压耦合系统由高速 开关 阀子系统和主 阀子系统组成 。 高速开关阀子系统通过阀芯的交替开启 、断开来 控制先导油液的交替通 、断 ，实现机械 一液压的耦合 作用。阀芯受 电磁力、惯性力、油液作用在阀芯上的 静液力、液动力及油液黏性阻力作用。由牛顿第二定 律，可建立阀芯的受力平衡方程为 ml 茹 1F 一F 。 一F d 1 一F d 3一R l 3 式中F 为高速开关阀球 阀端油液静液力；F 为高 速开关阀阀芯上的稳态液动力；F 为高速开关阀阀 芯上的瞬态液动力； 为高速开关阀阀芯、衔铁质 量 ； 为高速开关阀阀芯位移 ；R 为高速开关阀阀 芯黏性阻尼系数，其他参数同上所述。 高速开关阀流量与阀芯位移的关系为 广一 Q C d A ／ 卸。 4 P 式中Q 为高速开关阀流量 ； A 。 为高速开关阀阀 口通流面积 ，是阀芯位移 ， 的函数；A p 为高速开关 阀进、出口压差 ；C 阀口流量系数；P为油液密度。 主 阀子 系统通过 先导油液推动主 阀阀芯移动 ，从 而控制 电液 比例多路阀的油液流量 ，实现 了机械 系统 与液压系统的耦合作用。阀芯受油液作用在阀芯上的 静液力 、液动力、惯性力、弹簧力、油液黏性阻力作 用。由牛顿第二定律，可建立阀芯的受力平衡方程 ， n 2 互 2F 3一 一 d 2 一F d 4 一R v 2 2 。 5 式中F 3 为主阀阀芯端面油液静液力；F 5 为弹簧力 ； m 为主阀阀芯质量；F 皿 为主阀芯上的瞬态液动力； F 出 为主 阀芯上 的稳态 液 动 力 ； 为 主 阀 阀芯 位移 ； 为主阀阀芯黏性阻尼系数 。 油液 流量 与主阀阀芯位移 和速度 的关 系为 Q A 6 r ； 一 Q 阀c d A x ／ △ p 7 Y 式 中 Q 为主阀阀芯运动所需的流量 ；Q 阀为多 路阀 流量 ；A 为主阀阀芯端面面积 ； a x 为 主 阀阀 口通 流面积 ，是主 阀阀芯位 移 的函数 ；却 为主 阀进 、 出口压差 ，其他参数同上所述。 3键合图模型 3 ． 1 键合 图变量 键合图理论具有势变量 e t 、流变量 t 、广 义动量 P 和广义位移 q t 4种广义变量。为了便 于理解 ，现分别将机械域 、液压域及电磁域的各 个变 量与广义变量 的对应关系列于表 1 。 表 1 各域变量与广义变量的对应关 系 3 ． 2 键合 图模型的建立 从电磁铁动作的的物理特性考虑 ，一些文献 运用回转键合图元 G Y来表示机械 一电磁之间的耦合 关系，而作者则运用具有混合场的键合 图元 ， C来表 示机械 一电磁 之间的耦合关 系。 根 据电磁 感 应定 律 ，电气 动量 磁 通链 N c P与电流之间存在像惯性元件 ， 元那样的关 系，即 iO ／ L 。电磁力与位移之间存在像容性 元件 c元那样的关系。因此，电磁铁动作的物 理关系可用具有混合场的键合图元 ， c表示。 。 。 根据键合 图理论及 高速 开关 阀阀芯受力平衡 ，可 用流变量相等 的共流结 1一结 表示阀芯受力平 衡 。同理 ，主 阀 阀芯受力 平衡 可用 共流 结 1 一结 描述 。考虑流经高速开关 阀进 、出口的先导油液 的流 量相等，故用流变量相等 的共流结 1一结表示； 考虑流入 主阀阀芯受控腔 的流量 Q 、油液压 缩需 要 补充 的流量 Q 、主阀 阀芯运 动需要 补充 的流量 Q 、 流入油箱的流量 Q 的代数和为零 ，且主阀阀芯受控 腔是一个压力为p 的容腔 ，故用势变量相等的共势 结 o一结 表示 。 依据键合图模型的建立规则，可以建立图2 所示 的电液比例多路阀的键合图模型。该模型用统一的形 式准确而形象地描述 了电液 比例多路 阀中机械、电 磁 、液压之间的耦合关系。 1 8 6- 机床与液压 第 4 l卷 电磁系统 机械系统 ●一一一一 ■ 一一一 I 图2 电液比例多路阀键合图模型 键合图中各符号意义如下 表示 电源 电压 ； ， 分别表示线圈 电压 ，线圈电阻 ； ， 高 表示高速开关阀阀芯质量 ； ， 表示主阀 阀芯质量 ； F l 表示高速开关阀阀芯油液黏性阻力； F 表示高速开关阀阀芯惯性力； P 表示供油压力 ； q 。 表示供油流量 ； 表示高速开关阀进油口液阻； 表示 高速开关 阀泄油 口液阻 ； c 表示主阀阀芯受控腔液容； c 表示弹簧容度； 表示主阀阀芯油液黏性阻力； 表示主阀阀芯惯性力； 表示高速开关阀阀芯运动速度； 表示 主阀阀芯运动速度 ； 其他符号同上所述。 ． 4结论 1 根据电磁铁的工作原理，用具有混合场的 ， c场来表示机械 一电磁之间的耦合关系，能更加准 确描述电磁铁动作的物理特性。 2 运用键合图理论建立电液比例多路 阀的模 型，具有形象、直观、模块化结构、建模规则化、能 够准确而形象地表达该阀的实际物理模型等优点。 参考文献 【 1 】王中双， 陆念力． 键合图理论及应用研究若干问题的发 展及现状[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 8 ， 2 7 1 7 2 7 7 ． 【 2 】卢贵主， 胡国清． 利用键合图和 S I M U L I N K实现液压系 统动态仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 4 7 98 0 ． 【 3 】王中双． 键合图理论及其在系统动力学 中的应用研究 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社， 2 0 0 0 3 4 ． 【 4 】张敏敏， 陈俐， 霍易， 等． 高速电磁开关阀非线性模型简 化与验证[ J ] ． 上海交通大学学报 ， 2 0 1 0， 4 4 7 1 0 0 6 1 0 0 9． 【 5 】 周恩涛， 陶磊， 林君哲， 等． 基于键合图的高速开关阀建 模与应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 9 3 9 4 ． 【 6 】 任锦堂． 键合图理论及运用 系统建模及仿真 [ M] ． 上 海 上海交通大学 出版社 ， 1 9 9 2 1 5 51 5 6 ． 欲发展机床企业须规范行业准则 近几年来，机床产业发展态势越来越好 ，国外许多知名机床企业开始向我国进行产业转移。这种跨区域转移产业， 不仅可以促进我国机床行业的产能发展，也提高我国的机床产业的整体水平。虽然有外国先进机床企业的指引，但我 国的机床产业在发展过程 中还是存在一定 的问题。 我国的机床产品在制造过程中，由于忽略了产业结构、产能等方面的问题 ，国内一些机床产业陷入了停滞不前的 困境。就目前形势来看 ，我国机床行业中仍以中小企业为主，行业竞争主要还是低端产品的竞争，同时也存在非正规 的竞争手段，这些不规范的操作正在扰乱市场的发展，对机床制造行业造成了较大的伤害。 从机床行业发展现状来看，由机床行业竞争不规范造成机床行业发展的影响主要包括一、部分经营者购买无厂 名厂址的机床 ，打印知名厂家的名牌及合格证，对合格机床企业的声誉造成严重危害。二、翻新机床，部分经营者通 过对废旧机床重新油漆后第二次销售，给工程质量带来严重的安全隐患。三、低端产品太多，不符合市场需求，产品 供应过度，企业无利润可拿，出现了市场恶性循环。 研究机床的专家指出，未来五金机床市场供应可能由单一品种向多品种和多规格发展，机床企业应该满足成套制 造项目的需要，现有的低端机床产品不能带领企业继续发展，主攻设计与研发，才是今后产业发展的唯一出路。未来 机床企业要全力推进机床自动化科技创新中心建设 ，积极打造机床传统产业转型升级，发展技术含量高的高精尖的机 床产品，这样的我国机床才能真正的被应用，并走向世界。 内容 来源中国机床商务网