風機風量調整集成式機液伺服液壓缸動態特性分析

蘇東海，秦明璋

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

0 前言

在引風機的使用過程中，風量的需求并不是恒定的，會根據實際需要選擇適當風量以完成生產需求。當供風量大于實際需求量時，富裕風量會白白消耗電能，增加生產成本。而機液伺服缸作為風機風量調節的主要元件，它的動態性能直接影響到風機的性能和效率。因此，近幾年來對風機機液伺服缸的研究引起了更多學者的重視。本文作者通過對集成式風機風量調節機液伺服缸進行建模，對其動態特性進行仿真分析，為設計集成式機液伺服液壓缸提供理論依據。

1 集成式機液伺服液壓缸的結構及工作原理

集成式機液伺服缸的結構如圖1所示。

圖1 集成式機液伺服缸結構示意圖

從圖中可知，在閥控缸集成式元件中，正開口雙邊滑閥和非對稱差動缸是一個整體，并在活塞上開設了一個阻尼孔;在配油方面，機構采用了軸向配油方式，即油液通過旋轉油封直接通過軸向油道進入控制閥內。

集成式機液伺服液壓缸的原理如圖2所示。

圖2 機液伺服液壓缸原理圖

高壓油ps直通有桿腔，當閥芯沒有輸入時，油液經阻尼孔流入無桿腔，再經閥芯正開口流回油箱，對機構循環冷卻。當給閥芯一個Xv正向位移時，此時右側節流口開口增大，壓力油同時向液壓缸左右兩腔等壓供油，由于兩腔活塞面積不同，活塞向右移動，對負載做功;由于活塞與閥體是集成的，隨著活塞的前進，右側節流口逐漸減小，當達到平衡位置時，活塞停止運動。當給閥芯一個Xv負向位移時，原理同上。

2 數學模型

假設:閥對于閥芯位移和閥壓力變化所產生的流量變化能瞬間反應，即閥具有理想的響應能力;供油壓力恒定，回油壓力為零［1］。

閥口流量方程為

式中:Kq為流量增益;Kc為流量-壓力系數;QL為負載流量;pc為液壓缸控制腔壓力。

液壓缸流量連續性方程為

式中:Ah為液壓缸無桿腔有效面積;Xp為活塞桿輸出位移;Cip為液壓缸內漏系數;Gr為阻尼孔液導;V0為液壓缸無桿腔面積;βe為有效體積彈性模量(包括閥、連接管道和缸體機械柔度)。

液壓缸力平衡方程為

式中:m為活塞及負載等效質量;FL為作用在活塞上的外負載力;K為負載彈簧剛度;B為活塞及負載的粘性阻尼系數。

將式 (1)、(2)、(3)聯立，忽略彈簧剛度，整理得系統開環傳遞函數為:

式中:Kce為機液伺服系統的總流量-壓力系數，Kce＝Kc＋Ctp＋Gr

?h為液壓固有頻率，取

3 系統動態特性的影響因素分析

該系統為機液伺服控制系統，特別是采用集成式閥控非對稱差動缸結構，參數優化設計顯得尤為重要［2］。文中以5 t機液伺服液壓缸為例分析系統的動態特性。

根據傳遞函數可知，影響機液伺服缸系統的主要因素有:阻尼孔直徑d、閥口面積梯度W、閥正開口量U和負載質量m，這些參數對系統動態性能的影響是存在矛盾的。所以必須合理的選取參數值，使系統綜合性能達到最優［3］。

3.1 阻尼孔直徑對系統動態特性的影響

圖3顯示了不同阻尼孔直徑下的系統階躍響應曲線。由圖中可知，隨著阻尼孔直徑的增加，系統上升時間變大，響應變慢，超調量先減小后增大。

圖3 不同阻尼孔直徑下的系統階躍響應圖(d3＞d2＞d1)

阻尼孔直徑對系統的阻尼比有直接影響，但阻尼孔直徑也不是越大越好，過大的阻尼孔直徑會增加系統的內泄量，出現爬行、出力不足、保壓性能差等問題;且隨著阻尼比的增加，系統超調并不是一直減小，到達一定值后開始增加。綜合系統性能，阻尼孔直徑選d2時最滿足設計要求。

3.2 閥口面積梯度對系統動態特性的影響

圖4顯示了不同閥口面積梯度下的系統階躍響應圖。由圖中可知，隨著面積梯度的增加，上升時間減小，系統響應變快，但超調量增加，穩定性降低。

圖4 不同面積梯度下的系統階躍響應圖(W3＞W2＞W1)

閥口面積梯度對開環增益和阻尼比均有影響，選取大的面積梯度會提高系統的響應速度，但過大的面積梯度會增加閥的體積，使流量增加，降低閥的效率;超調量也會增加，系統更加不穩定，綜合系統性能，面積梯度選W2最符合設計要求。

3.3 閥正開口量對系統動態特性的影響

圖5顯示了不同閥正開口量下系統階躍響應圖，由圖中可知，隨著閥正開口量的增加，上升時間增加，系統響應變慢，超調量先減小后增大。

圖5 不同正開口量下的系統階躍響應圖(U3＞U2＞U1)

正開口量對系統動態特性的影響與阻尼孔直徑類似，但對系統動態特性影響不大，根據文獻 ［4］，通常取正開口量為U＝δ，這樣既滿足了正開口，又獲得了最大壓力增益。綜合系統特性，正開口量取U2最符合設計要求。

3.4 負載質量對系統動態特性的影響

圖6顯示了不同負載質量下系統階躍響應圖，由圖中可知，隨著負載質量的增加，系統上升時間增加，響應變慢。超調量變大，穩定性降低。

圖6 不同負載質量下的系統階躍響應圖(m3＞m2＞m1)

負載質量對系統固有頻率和阻尼比均有影響，負載質量增加，系統響應變慢，穩定性降低，所以設計時要優化系統結構和使用材料，盡量減小負載質量。綜合系統性能，負載質量取m1時最符合設計要求。

4 結論

通過對集成式機液伺服液壓缸的理論分析，建立了機液伺服缸的數學模型。從仿真結果來看阻尼孔直徑d、閥口面積梯度W、閥正開口量U和負載質量m對動態特性均有很大影響，適當調節U、W、d，減小m，可以提高系統動態特性。通過仿真不斷修改結構參數，使機液伺服缸的綜合性能最好，為設計集成式機液伺服缸提供了一定的理論依據。

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