同步閥瞬態響應的累計誤差分析

費 燁，霍東東，楊 妍

（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

同步閥又稱分流集流閥，在液壓系統多執行元件同步開環控制中得到廣泛應用[1～2]。文獻[3]通過對同步閥分流工況建模求解，發現兩執行元件偏載壓差、過閥流量均影響其同步精度，文獻[4]對同步閥的靜態分析得到了相類似結論。文獻[5]對同步閥同步精度影響因素進行了仿真分析，文獻[6]以體積最小、同步速度誤差最小為目標對同步閥結構參數進行了優化。但上述研究多關注同步閥動態響應后的流量穩態誤差，即執行元件的速度差，而同步閥作為有內部反饋機制的流量分配閥，其響應過程中出口流量對時間積分產生動態誤差，導致兩執行元件無法保證位置同步。文獻[7]、[8]注意到了這一點，但并未給出定量研究。這種流量累計誤差導致兩執行元件位移差，使執行元件產生附加的形變應力，高壓長行程時會造成結構損傷。因此，同步閥瞬態響應產生的位移誤差應作為其基本性能參數加以重視而深入研究。

1 同步閥結構及工作原理

圖1是拆解FJL-B15H型同步閥搭建三維模型后剖切得到的結構圖，其結構左右對稱，兩側彈簧使閥芯處于閥體中間位置，分流工況時換向活塞在遠離對稱中心線的圖示位置。當壓力油液p0、q0由P口進入，經閥芯徑向孔和左右兩側固定阻尼孔分別變為p1、q1和p2、q2進入閥左右兩腔，再經左右兩腔中的可變節流口分別以液流p3、q1和p4、q2流入各自的執行元件。

圖1 同步閥結構圖

圖2 同步閥工作原理簡圖

如圖2所示，當負載壓力p3=p4時，p1=p2，閥芯兩側受力平衡，閥芯無移動，左右兩側可變節流孔開度不變，q1=q2；若p3＞p4，據小孔流量公式：q=CAΔpφ有：q1＜q2，p1＞p2，左側彈簧腔壓力大于右側，閥芯右移使左側可變節流孔開度增大，而右側可變節流孔開度減小，導致q1變大、q2減小，直至q1=q2、p1=p2，閥芯重新恢復平衡，兩執行元件運動速度同步。同理，若p1＜p2，閥芯左側，調節流量相等。集流工況此相似，僅進油口與出油口相反。

2 同步閥建模

2.1 同步閥AMESim仿真模型

根據同步閥結構和工作原理，利用AMESim中HCD庫的質量、固定阻尼孔、可變阻尼孔、容積及活塞等單元搭建出同步閥模型如圖3所示。

圖3 同步閥仿真模型

利用該閥Solidworks三維模型，測量和計算仿真模型中相關參數如表1所示。

表1 同步閥結構參數

2.2 仿真模型驗證

為驗證所建同步閥模型，可將其置入雙缸同步回路，通過兩油缸所分配的流量進行驗證。將同步閥模型與元件庫中液壓泵、液壓缸和信號源等元件連接，搭建出雙缸同步回路AMESim模型如圖4所示，其中油缸內徑160mm、活塞桿直徑140mm。

該同步閥樣本提供的性能參數見表2，即額定流量63L/min下進行分流，當雙缸無桿腔壓差分別為0MPa、6.3MPa、20MPa、30MPa時，其速度同步精度σR與偏載壓差Δp應滿足表2要求。

圖4 同步閥分流工況AMESim仿真模型

表2 同步閥樣本分流工況同步精度

設置驗證工況為：泵輸出同步閥額定流量63L/min，同步閥A、B口偏載壓差在0～2s間保持為0，2s開始分別階躍變為PA＞PB前提下的6.3MPa、20MPa、30MPa。

設置仿真時間5s，時間間隔0.01s，得到不同偏載工況下閥芯位移曲線，如圖5所示。

圖5 不同偏載工況下閥芯位移曲線

圖5的曲線族表明，同步閥閥芯位移對負載壓差的響應為典型二階系統，這與文獻[8]的理論分析結果相一致；當偏載0MPa時閥芯不動，偏載增加閥芯位移隨之變大表明閥芯右移，同步閥左側可變節流孔開度增加而右側可變節流孔開度減小。因此仿真模型響應曲線趨勢正確。

圖6是偏載30MPa時A、B口流量曲線，由此可得不同壓差條件下，同步閥穩定工作時A、B口流量差（表3）。

圖6 偏載30MPa工況下A、B口流量曲線

表3 樣本工況下同步閥A、B分流口仿真流量差

表4 不同偏載差壓下同步閥仿真同步精度

3 同步閥同步性能仿真分析

3.1 同步性能仿真

借助圖4回路仿真模型，對該同步閥同步精度進行分析。

在前述模型驗證工況仿真結果中提取偏載30MPa時的雙缸位移曲線如圖7所示。

圖7 偏載30MPa工況下雙缸行程曲線

圖7表明：2s前兩缸負載相同，其速度、位移均同步，2s開始階躍偏載經動態響應后兩缸位移曲線不再重合也不平行但斜率偏差很小，說明偏載響應后雙缸失去位置同步，也不再保持嚴格的速度同步。原因在于圖6所示同步閥A、B兩口流入兩缸的流量差，在階躍偏載后既存在瞬態誤差也存在穩態誤差。穩態誤差對同步閥同步性影響已有相關文獻研究，本文不再贅述。這里主要考慮瞬態響應過程中的流量誤差對其同步精度的影響。考慮同步閥瞬態過程雙缸流量的時變特性，本文提出時均瞬態累計誤差概念對其進行研究。

3.2 時均瞬態累積誤差

所謂時均瞬態累計誤差是指同步閥瞬態響應過程中兩分流口單位時間時變流量之差，可記為

式中，T為瞬態響應的調整時間。

由圖6可知偏載30MPa時A、B口流量曲線瞬態響應調整時間TA＜TB，取B口穩定工作流量±5%，得TB=0.34s。對A、B口流量曲線作差得到流量差曲線，再利用AMESim中曲線積分求解功能對流量差積分，根據時均瞬態累計誤差公式，計算30MPa偏載下同步閥時均瞬態累計誤差。同理可得其他工況時均瞬態累計誤差（表5）。

表5 不同偏載下同步閥A、B口時均瞬態累計誤差

由表5可知，系統偏載30MPa時，瞬態響應導致的雙缸位移差2.315mm，這對高精度控制應屬很大的絕對誤差。因此，瞬態響應過程對同步閥同步精度有明顯影響，其瞬態累計誤差應考慮在對同步閥同步性影響之內，不可忽略。

3.3 時均瞬態累計誤差影響因素分析

選取同步閥獨立的結構參數：固定節流孔直徑、可變節流孔初始直徑、彈簧剛度，以及使用參數：進口流量、偏載壓差，通過仿真分析其變化時對同步閥時均瞬態累積誤差的影響。

將固定節流孔直徑以步長0.1mm從3.5mm離散至4.5mm、可變節流孔直徑以步長0.1mm從4.5mm離散至5.5mm、彈簧剛度以步長0.5N/mm從0.4N/mm離散至3.4N/mm，P口流量以步長1L/min從55L/min離散至65L/min、雙缸偏載壓差以步長5MPa從5MPa離散至35MPa，其它未作說明的均取偏載30MPa時測試工況參數。分別經批處理得到時均瞬態累計誤差隨上述因素變化的曲線，這里給出較為典型的曲線，如圖8～圖10所示。

從所獲仿真曲線看，時均瞬態累計誤差隨固定節流孔直徑增加呈拋物線上升趨勢，隨可變節流孔初始直徑和偏載壓差的增加呈線性遞增規律，隨彈簧剛度和P口流量的增加呈線性遞減變化。

因此，從降低時均瞬態累計誤差的角度看，設計時同步閥應盡可能減小固定節流孔直徑、可變節流孔初始直徑，增加彈簧剛度；使用時則應減小偏載壓差、增大同步閥進口流量。但減小固定節流孔和可變節流孔直徑在大流量分流工況下會增大壓力損失而降低系統效率，特別是加大彈簧剛度更與降低同步閥穩態誤差的要求相矛盾[5]。

4 結 語

通過對同步閥控制的同步回路建模和仿真分析，發現同步閥輸出流量的瞬態響應誤差對同步回路的同步性影響明顯。考慮到瞬態過程流量的時變性，提出同步閥時均瞬態累計誤差的概念對這種影響加以研究，并得到如下結論：①在同步閥額定流量下，其時均瞬態累計誤差隨偏載壓差的增加呈拋物線趨勢遞增，生產廠家應將其作為基本性能參數指標在樣本中加以標示；②固定節流孔直徑、可變節流孔初始直徑和彈簧剛度等結構參數對同步閥時均瞬態累積誤差有明顯影響，設計時應綜合考慮過閥壓力損失和穩態誤差優化確定；③從使用角度看，選用的同步閥實際流量應盡可能接近其額定值，且應盡可能減小偏載。

圖8 固定節流孔直徑對時均瞬態累計誤差影響

圖9 可變節流孔初始直徑對時均瞬態累計誤差影響

圖10 P口流量對時均瞬態累計誤差影響