比例控制回路壓力補償分析

郭銳，牛雯雯，王濤，王建偉，3，蔡偉，4

(1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，河北秦皇島066004；2.航天發(fā)射場可靠性技術(shù)重點實驗室，海南海口 571126；3.燕山大學先進鍛壓成形技術(shù)與科學教育部重點實驗室，河北秦皇島 066004；4.河北省特種運載裝備重點實驗室，河北秦皇島 066004)

0 前言

液壓傳動在工程機械中應(yīng)用普遍，其控制技術(shù)決定了工程機械的整體性能。比例控制技術(shù)作為液壓系統(tǒng)中常用的控制手段，為液壓系統(tǒng)的固有參數(shù)(壓力、流量等)提供了一種基于比例信號的線性控制手段[1]。比例控制技術(shù)通過與壓力補償單元配合，可以保證執(zhí)行元件的速度不受負載波動的影響，提高系統(tǒng)速度的可控性，在一些對執(zhí)行元件有速度調(diào)節(jié)、位置同步等要求的場合均有廣泛應(yīng)用[2-4]。在諸多控制手段中，采用壓力補償器對比例閥進行壓力補償?shù)姆绞阶顬閺V泛。李明生等[5]將壓力補償閥應(yīng)用到一種液控比例流量閥中，通過計算仿真表明該流量閥具備良好的流量控制特性，壓力補償閥提升了閥組整體的流量控制精度。華博等人[6]對一種比例提升閥組中各組件的機制、結(jié)構(gòu)進行分析探究，其中壓力補償閥件在閥組中起到補償壓力、穩(wěn)定流量的作用。陳革新等[7]探究了壓力補償閥對負載敏感多路閥微動特性的影響，通過改變壓力補償器的閥口結(jié)構(gòu)提升了多路閥的微動特性。趙小龍等[8]探究了壓力補償閥在定量泵負載敏感回路中對卸荷沖擊的影響，通過改變?nèi)▔毫ρa償閥參數(shù)及閥口結(jié)構(gòu)提高了卸荷壓力沖擊抑制效果。這些研究都是基于單級壓力補償回路。由于該回路中補償器的彈簧不具備壓差的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致補償?shù)膲翰顬槎ㄖ礫9-10]，這在一定程度上使得流量的控制范圍受到限制，并且無法適應(yīng)不同換向閥節(jié)流口壓差設(shè)定值的需要。

本文作者旨在研究一種新型采用變壓差壓力補償閥的補償回路，基于壓力補償原理與電液比例控制理論搭建液壓仿真模型，通過仿真對其運用時的特性進行分析。

1 壓力補償回路調(diào)速原理分析

一般比例閥的閥口流量公式如下：

(1)

式中：Cq為流量系數(shù)；A為閥口流通面積；Δp為閥口壓差；ρ為油液密度。

在一般的調(diào)速回路中，負載總是處在時刻的波動中，會使執(zhí)行元件的速度受到影響[11]。可利用伺服閥加以控制，但會使成本增加。相比于伺服閥，比例閥價格低廉，對油液污染敏感性較小，且可靠性更高。可通過在比例控制回路里使用壓力補償單元，彌補比例閥在該種調(diào)速回路中控制能力不足的缺點，利用比例信號控制開口實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)流量的無級調(diào)節(jié)。

2 定壓差壓力補償回路的工作原理

壓力補償原理：如圖1所示的定差減壓閥與比例換向閥構(gòu)成的簡單回路，壓力被分為3個部分：定差減壓閥閥前壓力p1，比例換向閥閥前壓力p2，比例換向閥閥后壓力p3。若油路中的壓力損失忽略不計，略去液動力，在該回路中存在如下關(guān)系：

圖1 壓力補償回路原理

p2AK=FK+p3AK

(2)

式中：FK為彈簧力；AK為閥芯作用面積。

即Δp1=p2-p3=FK/AK，當彈簧較軟、調(diào)節(jié)位移又比較小時，補償?shù)膲毫茷槎ㄖ礫12]。

壓力補償過程分析：由于負載變化導(dǎo)致負載端壓力p3增大時，即彈簧腔壓力信號增大，平衡被破壞，壓力補償閥閥芯有移動增大開口的趨勢。定差減壓閥的壓差Δp1降低，在p1不變的情況下p2增大，閥芯創(chuàng)建新的平衡，保證換向閥壓差不變；若負載的變化導(dǎo)致減壓閥閥前壓力p1增大，開始的瞬間閥芯不會移動，定差減壓閥的壓差Δp1不變，p2增大，無彈簧腔的壓力信號增大，閥芯有移動關(guān)閉的趨勢，導(dǎo)致定差減壓閥的壓差Δp1增加，p2慢慢降低恢復(fù)到原來值，閥芯重新創(chuàng)建平衡。

3 單級壓力補償回路仿真分析

基于定壓差壓力補償回路的原理，利用AMESim提供的系統(tǒng)仿真平臺搭建整個回路的液壓模型如圖2所示。為驗證壓力補償回路是否能夠有效緩解由于負載波動對于系統(tǒng)流量的影響，模型設(shè)置了2種不同的干擾信號來模擬波動的負載。仿真模型用可調(diào)的節(jié)流閥來代替比例換向閥，簡化了回路的搭建，可調(diào)節(jié)流閥也是一種比例閥。

圖2 單級壓力補償回路仿真模型

圖3表示兩種不同信號的建模方式僅在信號端有所不同。設(shè)置AMESim仿真參數(shù)，不同信號控制回路中各個元件初始值見表1。

表1 元件參數(shù)

圖3 不同模擬負載的仿真模型

仿真時間10 s，采樣間隔0.01 s。正弦信號各段的頻率由一個分段信號確定，后由增益信號進行處理，增益倍數(shù)為2 000，經(jīng)扭矩轉(zhuǎn)換元件將電信號的無量綱數(shù)值轉(zhuǎn)化為扭矩輸入到卷筒來模擬負載的干擾。相對于負載受正弦信號控制的回路，受正弦信號加高斯干擾控制的回路僅在負載控制信號部分進行元件更改。

兩種干擾信號的形狀如圖4所示。

圖4 兩種干擾信號

仿真結(jié)果如圖5所示：在正弦信號的控制下，比例閥的進、出閥口壓力呈正弦周期性變化。正弦信號未加擾動的壓力曲線變化更加光滑，比例閥進、出口壓差在到達4×105Pa后由壓力補償閥保持穩(wěn)定。在補償閥作用下，當負載的波動引起比例閥出口端壓力變化，比例閥入口端壓力將跟隨出口端壓力一起變化，保持穩(wěn)定的壓差，消除了由于負載波動對比例閥控制的影響。

圖5 比例閥閥口壓力及壓降(正弦信號) 圖6 比例閥閥口壓力及壓降(正弦加高斯擾動)

如圖6所示：相對于正弦信號未加擾動的仿真結(jié)果，正弦信號上的擾動亦反映在比例閥閥口的壓力變化上。由此可見，帶擾動的正弦信號對比例閥控制的影響更為復(fù)雜。即便如此，壓力補償閥依舊很好地維持了閥口的壓差，消除了負載波動對控制的影響。

4 變壓差壓力補償回路原理分析

這種回路是將定壓差壓力補償閥換成變壓差壓力補償閥，定壓差壓力補償回路中的負載信號直接反饋到壓力補償閥的彈簧腔上。圖7所示的變壓差壓力補償回路則是將負載的反饋信號經(jīng)先導(dǎo)元件順序閥后作用到壓力補償器主閥上。順序閥在溢流的時候壓力p4等于壓力p5與彈簧腔所受壓力p6之和。即先導(dǎo)型順序閥會將負載信號放大后再反饋到壓力補償閥，增加幅度為順序閥的設(shè)定壓力p6。此時比例換向閥的單邊壓降便會增加，根據(jù)公式(1)可知：在開口一定的情況下，流量隨著壓差的增加而增加。從而實現(xiàn)比例換向閥在開口不變的條件下調(diào)節(jié)回路的流量輸入。

圖7 變壓差補償回路原理

5 變壓差壓力補償器主閥結(jié)構(gòu)分析

圖8所示壓力補償器主閥為常開式結(jié)構(gòu)，閥芯上下作用面積比例為1∶1，通過閥芯的位移來調(diào)節(jié)通過補償器主閥的流量。初始時閥芯位于最大開口處，搭配一根軟彈簧。主閥與先導(dǎo)元件組合使用，可以通過調(diào)整先導(dǎo)元件的設(shè)定值來改變比例控制回路中比例閥的壓差。

圖8 阿托斯SCLI-32374

6 變壓差壓力補償回路仿真分析

基于AMESim系統(tǒng)仿真平臺搭建的變壓差壓力補償回路系統(tǒng)模型如圖9所示。

圖9 變壓差補償回路仿真模型

變壓差補償回路模型同上述單級壓力補償回路的搭建相似，不同干擾信號控制的回路模型的搭建僅在信號端有所不同。元件參數(shù)補充說明見表2。

表2 元件參數(shù)補充

區(qū)別于單級壓力補償回路中負載壓力信號直接反饋到壓力補償閥的彈簧腔，變壓差補償回路的先導(dǎo)元件(順序閥)將負載信號放大后再反饋到壓力補償器主閥。可以通過改變先導(dǎo)元件的調(diào)定壓力來改變放大因子，實現(xiàn)比例控制回路的變壓差控制。仿真初步設(shè)定順序閥的調(diào)定壓力為1×105Pa，在正弦信號的控制下，結(jié)果如圖10所示。該回路中比例閥閥口前后壓力變化同單級壓力補償回路的壓力變化趨勢相同，壓差在達到5×105Pa后保持穩(wěn)定。這表明采用變壓差壓力補償閥的比例控制回路同樣具備補償壓力的功能。

圖10 比例閥閥口壓力及壓降(正弦信號)

圖11 不同調(diào)定壓力作用下的壓差(a)、流量(b)曲線(正弦信號)

重復(fù)上述仿真步驟，將未加擾動的正弦信號替換為正弦加高斯(擾動)，獲得仿真結(jié)果如圖12所示，信號的擾動亦在比例閥閥口的壓力變化上體現(xiàn)出來。

圖12 比例閥閥口壓力及壓降(正弦加高斯擾動)

再次運用AMESim批處理功能，重復(fù)上述步驟，獲得不同調(diào)定壓力下的壓差、流量曲線如圖13所示。

圖13 不同調(diào)定壓力作用下的壓差(a)、流量

7 模型驗證

由公式(1)可知，在比例換向閥閥口壓差一定時，閥口開度與比例控制回路的輸出流量成正比。利用仿真以輸入信號控制比例閥閥口開度，觀察比例閥閥口壓差變化，驗證模型的正確性。

將節(jié)流閥替換為某閥，仿真模型如圖14所示。

圖14 變壓差補償回路仿真模型(替換節(jié)流閥)

根據(jù)某閥的流量特性曲線，設(shè)置比例閥及輸入信號參數(shù)見表3。

表3 模型參數(shù)補充

比例換向閥在輸入信號下的閥口流量及壓差如圖15所示。仿真模型在階躍信號的控制下，輸出流量與閥口開度成正比關(guān)系。在壓力補償閥的作用下，以不同信號連續(xù)控制換向閥開口，換向閥單邊壓降仍能保持穩(wěn)定，進一步驗證了模型的準確性。

圖15 比例閥閥口流量及壓降

通過分析上述仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)搭建的壓力補償閥能夠很好地消除負載波動對比例方向閥控制的影響，驗證了仿真模型的準確性，進一步說明了上述仿真分析的可靠性。

8 總結(jié)

(1)基于單級、變壓差壓力補償回路的原理，在AMESim仿真平臺上搭建兩種回路的仿真模型。

(2)對單級壓力補償回路仿真模型施加兩種不同的擾動信號來模擬回路負載的波動，得到了比例控制回路在不同干擾信號作用下比例閥的壓力及壓差響應(yīng)曲線，所得結(jié)果符合預(yù)期。

(3)對變壓差壓力補償回路仿真模型運用相同的處理方式，并且使用批處理功能賦予回路不同的壓力補償值，得到回路在不同補償值下比例閥的壓降及流量響應(yīng)曲線，同時分析了順序閥調(diào)定壓力為1×105Pa時比例閥的壓力及壓降響應(yīng)曲線。

分析表明：本文作者分析的一種變壓差壓力補償回路在不同的壓力調(diào)定下，有效消除了負載波動對比例閥控制的影響。通過改變順序閥設(shè)定壓力來改變比例閥的壓差值，拓寬了回路的速度調(diào)節(jié)范圍，豐富速度調(diào)節(jié)模式，相比單級調(diào)速回路優(yōu)勢明顯。