大流量插装式比例节流阀的特性研究

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比例流量阀是液压系统中重要元件之-，通过对流量的控制，实现对执行元件速度的改变。随着液压系统不断向高压、高速、高精度和大功率的方向发展，电液比例控制技术获得广泛的应用。如大流量操纵控制阀在液压支架上的应用，大通径电液比例阀在锻造液压机上的应用。为满足耐高压、大流量的要求，现设计63通径插装式比例节流阀，要求在35 MPa压力下其额定流量为2160 L/min，并实现输入电信号对流量的比例无级调节。本研究采用内部机械反馈通道上叠加电闭环反镭制原理和PID来调节。电反馈闭环范围大，可抑制除负载压力变化外的干扰 ，具有很好的控制精度和动态响应特性，反馈增益调节方便，而且在电闭环通道出现故障时在开环控制下能继续工作，仍可连续控制阀的开口量，提高了系统的可靠性。PID调节用来改善其稳动态特性。

1 插装式比例节流阀结构设计和工作原理按照初步设定的结构参数，用 CAD软件建立节流阀的二维几何模型。插装式电闭环比例节流阀结构简图如图1所示，主要由主阀套、主阀芯、先导阀、盖板、比例放大器、位移传感器组成。工作时流体流人进油口，经过节流槽进入阀芯和盖板间的控制腔再流入先导阀。同时经过阀芯和阀套间的内阀腔。最后汇总到主阀的出油口。当先导阀关闭时，如果出油口压力超过进油口压力，主阀芯允许反向流动，此时具有单向阀的功能。

1.阀套 2.阀芯 3.先导阀 4.盖板5.比例电磁铁 6.位移传感器图 1 插装式节流阀结构简图工作原理如图2所示，在不操作电磁铁的情况下，先导阀芯在压力弹簧的作用下保持在初始位置。主阀进油腔的油液通过主阀芯上的节流槽到达并充满控制腔，由于主阀复位弹簧力和主阀芯上下面积差的原因，主阀口关闭。

在激励比例电磁铁的情况下，比例电磁铁输出相应的电磁力，克服弹簧力推动先导滑阀移动，控制腔油液通过先导阀口流至主阀出口。此时主阀控制腔压力低于进油腔的压力，在上下压差作用下，主阀开启并上收稿日期：2013-01·10基金项目：国家 自然科学基金(51175362)作者简介：李国琳(1986-)，女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：机电液控制技术。

液压与气动 2013年第7期图 2 工作 原理 图移，先导流量增大时控制腔压力也随之增大，直至主阀受力平衡。即当先导阀芯所受弹簧力和电磁力相平衡时，主阀稳定在某-平衡点上，主阀芯位移按照电输入信号成比例进行调节。在电磁铁取消控制时，先导阀芯被压力弹簧重新压回初始位置，主阀口关闭。

根据稳态时通过窄槽的流量和先导阀的流量相等，可得：， . 、 /2(PA-pc) /2(pc-pB)deWc IJ√- - dyyY、/- -式中：C 为通过节流槽的流量系数；c 为先导阀阀口流量系数； 为主阀芯位移； i为节流槽预开口量；为先导阀面积增益； 。为节流槽面积增益；，，为先导阀位移。P 为主阀进油压力；P 为主阀出口压力；Pc为控制腔压力；根据主阀芯受力平衡方程：PAAAP A PcAc，可得主阀芯位移和导阀芯位移的表达式：Wv /Ss、/ S 。式中：s 为进油口面积与控制腔面积之比；s 为出油口面积与控制腔面积之比。

由式可知，主阀位移仅撒于导阀位移，且放大倍数可通过比值 /w 方便地进行调整。

控制原理如图3所示。由于主阀的位移决定节流口的开度，所以将位移传感器安装在主阀芯上，检测主阀芯的位置实际值。当给定-个设定值 Ui，设定值与位移传感器的反馈值 在减法器内进行比较，得到偏差值，采用比例.积分.微分(PID)控制器调节后输入比例电磁铁，以推动先导滑阀移动，控制主阀芯的位移。

使主阀芯的位移不随负载压力和主阀上腔压力的变化而改变，进而控制主阀流量只随设定值 Mi而改变，不受外负载变化的影响。

图3 控制原理图2 运动学仿真结果与比较分析电液比例节流阀的动静态特性受摩擦力、稳态液动力、瞬态液动力、先导通油能力、主阀芯惯量、主阀芯行程等影响，受力情况比较复杂。为精确分析其动力学特性，应用仿真软件 Simulation X建立比例节流阀仿真模型，其中包括主阀的建模、先导阀的建模、电子控制部分的建模，动力源泵和加载阀。仿真模型如图4a所示。采用Pro/E软件对研究对象建立三维模型，通过Simulation X中与Pro/E的接口导人仿真模型，如图4b所示。首先分析其稳态负载特性、稳态控制特和电压阶跃响应特性，研究阀的静动态特性，再根据仿真结果优化结构参数。

a)比例节流阀仿真模型b)三维几何模型图4 液压系统仿真模型2.1 稳态特性仿真(见表 1)初步设定电液比例节流阀的各项参数，在保证主阀口前后压差不变(设为 1 MPa)的情况下，给定系统压力为26 MPa，得到仿真曲线如图5所示。主阀位移和先导阀位移Y的函数图像表明主阀芯位移和导阀芯位移成正比例关系，仿真结果与理论推导-致。

给定系统压力为26 MPa下得到的稳态控制特性曲线如图6所示，在电压起始段，主阀口没有位移，通过主阀的流量也为0，具有死区行程。阀的死区行程由阀所受到摩擦力、先导阀负开口量和控制腔压降需要-定时间决定的。仿真结果表明系统最大的输出流量在2160 L/min左右，可以满足系统最大流量的设计要求。

2013年第 朝 液压与气动 9l表 1 插装式比例节流阀模型的主要参数名称 参考值主阀复位弹簧刚度 kl8 N/ram主阀弹簧预压缩量 。5 mm先导阀弹簧刚度 k228.N/mm先导阀预压缩量 )，。0.5 mm先导阀负开口量 ，i0.02 mm先导阀面积增益 彬 8.55 mm先导阀芯直径 d10 ITlm比例电磁铁最大行程 h2 mmPID控制器参数比例系数 kp1.35PID控制器参数积分系数 ti0.46PID控制器参数微分系数 td0.025主阀芯质量 ml2.266 kg先导阀芯质量 trh 0.0392 kg导阀芯位y/mm图5 导阀芯位移-主阀芯位移仿真曲线图 6 稳态控制特性仿真曲线2.2 动态特性仿真在系统压力设定值为26 MPa下，输入 100%阶跃信号，从图7看出，动态响应时间上升沿是 0.394 s，下降沿是 0.540 8，关闭时间明显长于开启时间。主阀芯无超调和振荡，最终稳定在 9.46 mm左右。电压阶跃响应特性仿真显示，在整个动态过程中，阀的响应稳定，具有很好的控制精度和动态响应特性。图 8是阀芯在开启过程中处在 3个不同位置的示意图。

为进-步提高动态响应特性，在原模型的基础上改变主阀芯的结构建立新模型，即在阀芯上部增加凸薹2庭 0H 1.5 2.5 3.5 4.5 时间f/s图7 电压阶跃响应特性曲线a b) c)图8 阀芯开启位置示意图台。分析凸台直径大小对插装阀的动态性能影响。设凸台直径分别为20 mm、30 mm、40 mm时。仿真结果显示，通过导阀的流量依次为 14.12 L/min，13.43L/min，12.62 L/rain。原模型中导阀流量为 14.62 L/min。图9、10可以看出导阀流量随凸台直径的增大而减少，响应速度得到了提高。

耄l5 丽 垦 1·5 2.5时间珧3·5 4-5图9 先导阀流量目 f 童聂毫丽 三 塑时间∥图 1O 先导阀位移3 结论通过 Simulation X仿真软件对电闭环控制的插装式比例节流阀进行准确地建模仿真，对节流阀各项特性进行分析结果表明该阀的可控流量大、抗负载干扰能力强、响应速度快，满足高精度闭环控制的要求，并且结构简单，能够广泛应用在工业生产中。