電機械執行器驅動壓差可控型多路閥特性研究

趙星宇，王波，趙斌，李運帷，權龍

(1.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西太原 030024；2.阿爾伯塔大學電氣與計算機工程系，阿爾伯塔 埃德蒙頓 T6G2V4，加拿大)

0 前言

工程機械中普遍采用多路閥分配流量，有含壓力補償器和無壓力補償器兩類多路閥。為了精確分配流量，在負載敏感系統中，采用的是帶補償器的多路閥。

當前，為了提高多路閥的微動特性和流量控制精度，國內外學者做了大量研究。艾超等人通過減小主閥小開口處過流面積梯度，實現多路閥微動特性優化。葉小華等通過仿真研究發現，節流閥口形狀所轉換的過流面積曲線斜率大小直接影響多路閥的微調特性和緩沖能力。冀宏等人針對主閥復位時的卡滯問題，在閥芯上設置擋流凸臺結構，使滑閥液動力降低了61.6%。葛磊等人在SimulationX環境下研究了壓力補償器閥芯的節流槽型式及LS腔彈簧對響應速度的影響。PETTERSSON等分析了壓力補償器的動態特性，發現補償器斷開頻率低于負載共振頻率時，提高壓力流量增益可以減小負載間干擾。FENG等對壓力補償器進行動靜態特性分析，根據彈簧剛度和液動力之間的關系，提出了3種補償模式。鄧斌等人研究了液動力對主閥芯操縱力的影響，發現適當增大彈簧系數和彈簧預緊力可以減小其影響。由上述分析可知：一方面，由于主閥節流口壓差不可控，研究者們大多對閥口形狀和面積梯度進行優化，來提高多路閥微動特性，但閥口的各個參數都會對微動特性產生影響，需要進行繁瑣的工作來尋找最佳優化方案；另一方面，研究者們從閥芯結構和彈簧系數等方面入手，降低液動力的影響，但未完全補償液動力，流量控制精度沒有顯著提高。

為此，提出補償壓差調控原理，對補償器閥芯施加附加力，不僅可以對主閥節流口壓差進行控制，減小壓差以提高多路閥微動特性，增大壓差實現執行器的快速響應；而且可以直接對液動力等因素進行補償，提高流量控制精度。

但目前工程機械多路閥流量較大，補償器行程較大，以所研究25通徑多路閥為例，其額定流量300 L/min，補償器行程7 mm，1.7 MPa所對應控制力約為1 000 N，現有比例電磁鐵難以滿足要求，所以需探究一種大行程、高輸出力、高響應的電機械執行器。其中，電機作為優質的電機械轉換機構，被國內外學者逐漸應用于電液領域。肖俊東等采用直流電機直接驅動閥芯，用轉動閥芯取代滑動閥芯，減小了液動力。RYBARCZYK將直流電機的高動態性能和步進電機的高定位精度優勢結合起來，設計出一種由步進電機和直流電機的組合控制的比例閥。ABUOWDA 等設計了應用在進出口獨立系統中的電機旋轉控制閥，提高了閥的控制精度和動態性能。WIEGANDT設計了直驅式比例閥，采用高扭矩伺服電機配合特殊的凸輪傳動機構，提高了動態響應速度。劉向明等采用直流電機配合球頭偏心耦合裝置直接驅動單級電液伺服閥，結構簡單，動態特性和控制精度都優于傳統電液伺服閥。綜上所述，伺服電機擁有過載能力強、轉動慣量小、響應速度快等優勢，研究者大多采用位置控制模式提高閥的控制精度。

為此，本文作者以負載敏感系統中閥后補償多路閥為研究對象，基于補償壓差調控原理，采用伺服電機與滾珠絲杠組合，設計出電-機械壓差控制單元，增設在補償器上，完成新型壓差可控型多路閥的設計。研究中，分析了新型壓差可控型多路閥的工作原理，運用SimulationX軟件搭建了聯合仿真模型，進行了壓差控制特性和流量控制特性的仿真研究，并且仿真分析了壓差控制單元參數的影響。

1 工作原理

1.1 新型壓差可控型多路閥工作原理

圖1給出了新型壓差可控型多路閥的系統原理，在壓力補償器上增設了伺服電機驅動滾珠絲杠的電-機械壓差控制單元。當該控制單元不工作時，電機與絲杠處于隨動，與傳統多路閥工作原理相同；當控制單元工作時，將電機轉矩輸出轉化為絲杠螺母對閥芯施加的附加力，或直接控制補償器閥芯位置，使其處于常開狀態，減小節流損失。

圖1 新型壓差可控型多路閥系統原理

圖2給出了電-機械壓差控制單元的具體結構示意，伺服電機與滾珠絲杠軸通過聯軸器相連，絲杠軸采用一端固定、一端自由的方式，固定端的角接觸球軸承采用緊定螺母固定，絲杠螺母通過法蘭連接與補償器閥芯相連。

圖2 電-機械壓差控制單元結構示意

1.2 理論分析

由圖1可得壓力補償器閥芯受力平衡：

=+±

(1)

變化得主閥節流口壓差：

Δ=-=--1[±]

(2)

式中：為壓力補償器閥芯端壓力作用面積；為主閥節流口出口壓力；為壓力補償器出口壓力(圖1中)；為泵出口壓力；為最高負載壓力；為作用在補償器閥芯上的穩態液動力；為電-機械壓差控制單元輸出的附加力。

由式(2)可知，當泵出口壓力和最高負載壓力的差值恒定時，主閥節流口壓差Δ只與液動力和附加力有關。當附加力方向為閥口打開方向時，可以增大壓差；當方向為閥口關閉方向時，可以使壓差減小。此外，附加力還可以補償液動力。

其中，控制單元輸出的附加力為

(3)

式中：為滾珠絲杠的導程；為伺服電機輸出轉矩；為滾珠絲杠傳動效率。

電機轉速與補償器閥芯速度的對應關系為

60=

(4)

式中：為伺服電機轉速；為補償器閥芯運動速度。

電機角位移與補償器閥芯直線位移的關系為

=2π

(5)

式中：為電機角位移；為補償器閥芯直線位移。

由上述分析可知，通過檢測伺服電機轉速、轉角、轉矩信息，可間接感知補償器狀態。而伺服電機信息可由編碼器直接檢測，這也為補償器的控制提供了方便。進一步，伺服電機不僅可以采用位置控制模式，控制補償器閥芯開度，而且可以采用轉矩控制模式，控制輸出力的大小，來改變壓差。但受絲杠導程影響，當電機轉矩一定時，絲杠導程與輸出力成反比，同時，根據式(4)，電機轉速需要與閥芯響應速度相匹配，絲杠導程不宜太小。

為此，需綜合考慮，既要有足夠的輸出力來滿足工作需求，又需要電機轉速匹配補償器響應速度，此外，壓差控制單元的尺寸不宜太大。根據上述分析，針對已知25通徑多路閥補償器行程7 mm，1.7 MPa所對應控制力約為1 000 N，本文作者選擇1 mm導程的滾珠絲杠、50 W伺服電機。

2 仿真建模

以25通徑閥后補償多路閥為研究對象，在多學科仿真軟件SimulationX中，根據真實的結構參數，搭建出新型壓差可控型多路閥聯合仿真模型，見圖3，該模型主要由機械模型與液壓模型兩部分組成。將多路閥各部件三維模型導入SimulationX中，按實際的約束關系裝配，搭建三維機械模型；液壓模型部分由電-機械壓差控制單元、主閥、壓力補償器、壓力油源及加載溢流閥等部分組成。其中，用加載溢流閥模擬負載，主閥由節流口和換向口組成，根據補償器閥芯受力分析，搭建出壓力補償器模型，并在建模過程中考慮黏性摩擦等因素；電-機械壓差控制單元主要由伺服電機和滾珠絲杠構成，根據絲杠實際結構，將模型中絲杠軸移動副和絲杠螺母轉動副固定。圖4為電-機械壓差控制單元的響應特性曲線，電機輸出轉矩和絲杠輸出力的響應時間均小于50 ms。

圖3 新型壓差可控型多路閥聯合仿真模型

圖4 電-機械壓差控制單元響應特性

3 仿真分析

3.1 壓差控制特性

保持主閥開度不變，給定電-機械壓差控制單元3組不同設定值的階躍信號，得到圖5所示的壓差階躍控制特性曲線。圖5(a)為伺服電機輸出轉矩的動態響應特性，伺服電機采用轉矩控制模式，可知其階躍響應時間小于50 ms，動態響應較快，將輸入信號轉化為輸出轉矩，進而控制主閥節流口壓差。由圖5(b)可知：節流口壓差Δ的階躍控制響應時間小于50 ms，動態響應速度較快，能夠實時根據工況需求實現壓差的動態調控。給定斜坡控制信號，得到圖6所示的壓差連續控制特性曲線，可知：以當前電機與絲杠的選型參數，壓差Δ能夠在0～3.5 MPa內穩態連續控制，多路閥流量呈非線性變化。

圖5 壓差階躍控制特性

圖6 壓差連續控制特性

3.2 液動力補償

保持主閥開度不變，減小負載壓力，即增大多路閥前后壓差，此時補償器的液動力增大，由式(2)可得，將導致多路閥主閥節流口壓差減小，多路閥流量減小。

穩態液動力計算公式為

(6)

式中：為補償器開度時對應的閥口面積；為流量系數；為流速系數；為油液密度；為射流角。

電-機械壓差控制單元可以根據伺服電機的位置環檢測的反饋信息，實時檢測閥口開度，由閥口面積曲線得到對應的面積，根據實際測得閥芯射流角，代入公式(6)對液動力進行估算。

在仿真中，將泵出口壓力與最高負載壓力設定為恒定值，在4組不同主閥開度下，改變負載壓力，得到圖7所示的穩態負載特性曲線。可知：主閥開度不變，隨著泵與負載間壓力差值的增大，由于液動力的影響，多路閥流量非線性減小，無法保持恒定值，并且在大主閥開度、大流量、大壓差狀態下，液動力的影響較大。對液動力補償后，流量基本保持恒定，具有良好的穩態負載特性，提高了流量的控制精度。

圖7 穩態負載特性曲線

3.3 電機與絲杠參數的影響

在電-機械壓差控制單元非控制與控制兩種狀態下，分別對電機轉子轉動慣量和絲杠導程的影響進行仿真研究。

(1)非控制狀態

當電-機械壓差控制單元不控制時，電機與絲杠處于隨動，補償器閥芯需要拖動電機與絲杠運動，相當于在原有補償器上增加了一個額外負載。

圖8為非控制狀態下電機轉子轉動慣量對補償器動態響應的影響，可知：增設電-機械壓差控制單元后，補償器響應變慢，當導程一定時，電機轉子轉動慣量越大，補償器響應速度越慢，多路閥流量超調越大。這是因為轉子轉動慣量越大，給予補償器的額外負載的慣性越大，導致補償器響應時間變長，流量超調變大。

圖8 非控制狀態下電機轉子轉動慣量對補償器響應特性的影響

圖9為非控制狀態下絲杠導程對補償器動態響應的影響，可以看出：當轉子轉動慣量一定時，絲杠導程越小，補償器響應速度越慢，多路閥流量超調越大。這是因為，補償器閥芯位移階躍變化時，伺服電機的轉速需要匹配其響應速度，由式(4)可知，閥芯直線速度一定時，絲杠導程越小，所需求的電機轉速越高，受轉動慣量影響，補償器響應速度變慢，流量超調變大。

圖9 非控制狀態下絲杠導程對補償器響應特性的影響

(2)控制狀態

電-機械壓差控制單元處于控制狀態下，階躍控制主閥節流口壓差時，仿真研究電機與絲杠參數對壓差控制動態特性的影響。

圖10是電機轉子轉動慣量對壓差控制動態特性的影響，可知：絲杠導程一定時，隨著轉子轉動慣量的增大，電-機械壓差控制單元的慣性越大，導致圖10(b)所示的輸出附加力啟動與停滯速度越慢，超調越大，使得壓差控制響應速度越慢。

圖10 控制狀態下電機轉子轉動慣量對壓差控制特性的影響

圖11是絲杠導程對壓差控制動態特性的影響，可知：轉子轉動慣量一定時，絲杠導程越小，對壓差控制動態特性的影響越大。這是因為補償器壓差變化，其閥芯位移階躍變化，電機轉速需要與閥芯的響應速度相匹配，導程越小，圖11(b)所示的電機轉速越高，由于慣性影響，電-機械壓差控制單元控制特性越差，壓差控制響應速度越慢，超調越大。

圖11 控制狀態下絲杠導程對壓差控制特性的影響

4 結論

(1)基于補償壓差調控原理，在壓力補償器上增設了由伺服電機與滾珠絲杠組成的電-機械壓差控制單元，設計出新型壓差可控型多路閥，不僅可以根據工況需求，對主閥節流口壓差進行控制，而且可以對液動力進行補償，提高流量控制精度；

(2)仿真結果表明：新型壓差可控型多路閥可以在0～3.5 MPa范圍內對主閥節流口壓差進行連續控制；

(3)增設電-機械壓差控制單元，可以對補償器液動力進行補償，提高了流量的控制精度；

(4)在電-機械壓差控制單元非控制與控制兩種狀態下，電機轉子轉動慣量越大，補償器響應速度越慢，壓差控制動態特性越差；絲杠導程越大，對補償器動態響應的影響越小，壓差控制動態特性越好。設計時應當綜合考慮來優化結構參數。