某型數(shù)字液壓缸閥芯遮蓋形式仿真研究

宋飛，樓京俊，徐文獻，彭利坤

(1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北武漢430033;2.中國人民解放軍92339部隊，廣東湛江524003)

0 前言

現(xiàn)代數(shù)字液壓缸可直接用數(shù)字脈沖信號進行控制，具有控制簡單、定位精度高、抗污能力強、維護容易等優(yōu)點。美國Victory Controls公司、Vickers公司、德國Rexroth公司、日本IHI公司、東京計器公司均有成熟系列數(shù)字液壓缸產(chǎn)品提供［1-2］。數(shù)字液壓缸是數(shù)字閥和液壓缸創(chuàng)新結(jié)合的產(chǎn)物，數(shù)字閥作為數(shù)字液壓缸控制的核心部件，其性能好壞直接影響數(shù)字液壓缸的特性。日本數(shù)字閥研制較為領(lǐng)先，其東京計器公司的數(shù)字流量閥、壓力閥、方向流量控制閥均已形成系列產(chǎn)品，壓力可到21 MPa，流量 1～500 L/min，輸入脈沖數(shù)為100～126，其重復(fù)特性精度和滯環(huán)精度均在0.1%以下［3］。美國的Sperry Vickers公司、日本的油研公司、豐興工業(yè)公司和內(nèi)田油壓公司也有數(shù)字閥商品投放市場［4-5］。而國內(nèi)這方面的研究和應(yīng)用還較少，因此對數(shù)字液壓缸中的數(shù)字閥結(jié)構(gòu)進行深入研究及優(yōu)化是十分必要的。

液壓閥根據(jù)中位遮蓋情況，可分為零遮蓋 (零開口)、正遮蓋 (負開口)和負遮蓋 (正開口)3種，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。零遮蓋是一種理想的情況，由于其對閥芯、閥套的材料、加工、裝配等要求極高，而且由于閥口的磨損，很難保持為理想的零遮蓋;正遮蓋液壓閥引入了死區(qū)非線性，對閉環(huán)控制影響較大;而負遮蓋液壓閥在零位的流量增益大，具有提高系統(tǒng)的快速性、增加系統(tǒng)的頻寬、增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點，在快速高精度負載和位置控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛［6］。

圖1 液壓滑閥遮蓋

1 數(shù)字液壓缸原理

數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理為:在正向脈沖信號的作用下步進電機旋轉(zhuǎn)，閥芯與步進電機之間為滑動連接，閥芯隨步進電機同步旋轉(zhuǎn)，在閥芯左端螺桿螺母副作用下閥芯的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)檩S向左移的直線運動，閥口隨之打開，壓力油進入無桿腔，活塞外伸。與此同時，與活塞剛性固定的反饋螺母也一同運動，在大導(dǎo)程滾珠絲杠的作用下，反饋螺母的左移直線運動轉(zhuǎn)化為絲桿的旋轉(zhuǎn)運動，絲杠帶動與其固定在一起的螺母旋轉(zhuǎn)，再通過螺桿螺母副的作用推動閥芯軸向右移，閥口逐漸關(guān)閉，實現(xiàn)位置負反饋。當(dāng)輸入連續(xù)正向脈沖信號時，步進電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，活塞桿隨之外伸。反之，輸入反向脈沖信號，步進電機反轉(zhuǎn)，活塞反向內(nèi)縮［7］。

圖2 數(shù)字液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖

2 AMESim仿真模型

數(shù)字液壓缸AMESim模型如圖3所示。

圖3 數(shù)字液壓缸AMESim模型

由液壓站1、非對稱缸2、四通滑閥3、螺旋傳動機構(gòu)4四部分組成，模型考慮了油液的可壓縮性、滑閥死區(qū)、螺紋間隙、摩擦、泄漏等非線性因素。螺旋傳動機構(gòu) (即螺桿螺母副和大導(dǎo)程滾珠絲杠組成的機械反饋機構(gòu))是建模的難點，由于螺桿螺母副與閥芯直接相互作用，其螺紋間隙及摩擦不能忽略，需要自建模型 (圖3中4下方超級元件)考慮間隙及摩擦的影響。滾珠絲杠的螺紋間隙小，對閥芯運動的影響甚微，建模時可使用軟件自帶的螺桿螺母副模塊 (圖3中4上方元件)來簡單的表示［8］。

仿真中設(shè)定數(shù)字液壓缸為中位啟動，同時規(guī)定負載隨活塞位移線性變化，最大位移處負載為164 kN，模型主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

3 仿真分析

3.1 遮蓋形式對系統(tǒng)精度的影響

為了研究數(shù)字閥遮蓋對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，在其他參數(shù)一致的情況下取數(shù)字閥的遮蓋分別為＋0.2、0和-0.2 mm這3種情況進行仿真，仿真中設(shè)定步進電機角位移輸入信號為頻率1/40 Hz，幅值540°的三角波。輸入信號對應(yīng)的液壓缸理論位移可通過下式計算得到:

式中:st為理論位移 (m);

s為滾珠絲桿螺距 (mm)，取s＝150 mm;

θ為步進電機角位移 (°)。

液壓缸的位移曲線如圖4所示，圖中粗實線為理論位移曲線，是周期40 s、幅值0.225 m的三角波。仿真結(jié)果顯示負遮蓋、零遮蓋和正遮蓋的實際位移曲線滯后理論位移的時間分別為0.1、0.12和0.25 s;最大位移分別為223、222.6和220 mm。零遮蓋與負遮蓋的實際位移曲線非常接近，而正遮蓋的實際位移曲線滯后明顯，且曲線“削頂”現(xiàn)象明顯，這主要是因為正遮蓋數(shù)字閥在換向時存在滑閥死區(qū)，此時雖然滑閥仍在運動，但所有閥口處于關(guān)閉狀態(tài)，活塞運動停止，故出現(xiàn)“削頂”現(xiàn)象。正遮蓋量越大，最大位移越小，位移曲線滯后越明顯， “削頂”越嚴重。

圖5為負遮蓋、零遮蓋和正遮蓋的位移跟蹤誤差曲線，正向運動時三者的最大跟蹤誤差分別為2.4、3.4和6.4 mm;反向運動時最大跟蹤誤差分別為2.8、4.8和7.7 mm;停止運動時靜態(tài)誤差分別為0.2、0.04和3 mm。對比可知負遮蓋、零遮蓋和正遮蓋的動態(tài)跟蹤誤差依次增大，且正向跟蹤誤差小于反向跟蹤誤差，零遮蓋的靜態(tài)誤差最小。正遮蓋由于存在滑閥死區(qū)，跟蹤誤差明顯大于其他2種遮蓋形式，對于有精度要求的系統(tǒng)來說閥芯應(yīng)盡量采用負遮蓋或零遮蓋形式。負遮蓋和零遮蓋跟蹤誤差曲線較為接近，但由于負遮蓋存在預(yù)開口量，滑閥反應(yīng)靈敏，跟蹤效果更好。

圖4 活塞位移-時間曲線

圖5 液壓缸跟蹤誤差-時間曲線

3.2 遮蓋形式對系統(tǒng)平穩(wěn)性的影響

圖6 和圖7分別為液壓缸無桿腔和有桿腔壓力曲線，圖中1、2、3曲線分別為正遮蓋、零遮蓋和負遮蓋對應(yīng)的壓力曲線。負遮蓋對應(yīng)的壓力曲線變化較為平滑，無明顯壓力躍變，而正遮蓋和零遮蓋的對應(yīng)的壓力曲線在換向點處有明顯的壓力躍變，且有桿腔的壓力躍變更加明顯，躍變幅度可達2 MPa?？梢娯撜谏w閥芯可以改善液壓腔的工作壓力，抑制壓力躍變，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

圖6 無桿腔壓力-時間曲線

圖7 有桿腔壓力-時間曲線

3.3 遮蓋形式對系統(tǒng)流量的影響

負遮蓋也會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，圖8為系統(tǒng)供油流量曲線，其中1、2、3分別為正遮蓋、零遮蓋和負遮蓋對應(yīng)的供油流量曲線。正遮蓋的流量曲線除因滑閥死區(qū)引起的滯后外，與零遮蓋的流量曲線基本一致，但負遮蓋由于滑閥開口始終存在，流量大于其他兩種遮蓋形式下的流量，從圖中也可以看出負遮蓋的流量曲線明顯高于其他兩條曲線。這意味著負遮蓋的數(shù)字閥在工作過程中始終有油液通過且流量較大，那么供油系統(tǒng)必須不斷地供油才能維持系統(tǒng)的正常運行，但從正遮蓋和零遮蓋的流量曲線可以看出系統(tǒng)真正需要的流量并不是很大，對于負遮蓋的數(shù)字閥來說大部分的油液是直接回流到了油箱，導(dǎo)致系統(tǒng)效率不高。

圖8 供油系統(tǒng)流量-時間曲線

4 結(jié)論

通過對零遮蓋、正遮蓋和負遮蓋3種不同閥芯遮蓋形式的仿真研究，得出如下結(jié)論:

(1)在提高系統(tǒng)精度方面，由于正遮蓋閥存在滑閥死區(qū)，控制精度明顯不如零遮蓋閥和負遮蓋閥，而零遮蓋閥和負遮蓋閥的控制精度相近。

(2)負遮蓋閥由于存在預(yù)開口，滑閥反應(yīng)靈敏，可提高系統(tǒng)的快速性，而且對系統(tǒng)的壓力躍變有良好的抑制效果。

(3)由于負遮蓋閥中位泄漏量大，系統(tǒng)需時刻保持供油，故效率低于零遮蓋閥和正遮蓋閥。

在實際使用中，數(shù)字液壓缸中的數(shù)字閥應(yīng)盡量采用零遮蓋形式，如果加工精度不能滿足要求可以趨向于加工為遮蓋量極小的負遮蓋，以期達到零開口的效果，這樣做既可以提高系統(tǒng)的精度和靈敏度，抑制壓力躍變，也可以提高系統(tǒng)效率。

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