流量对分流集流阀同步精度的影响.pdf

f f 流量对分流集流阀同步精度的影响 s (2 0 0 3 3 1)上海铁道大 学液压与气动实验中心李昌聂崇囊、摘要本文主要 论述 应用分流集 流阀的开环位 置同步系统 中，在泵 启动 或换 向对流量 改变的动 态 工况 以及泵供油 不能达到 分流集流 阔额定流量的静 态工 况。流量对分流集流 阀同步精度的影响。关 键 词 竺 兰 苎 旦 苎 茎 兰 型 墼 兰 竺 兰 _ _ _ _-。-_ _ _-_ _ 一 ，一、前 亩 随着现代工业 的发展 液压 同步技术的应 用越来越广泛。在液压同步控制技术的应用中，绝大多数场合是要求位置 同步，本文即针对位 置同步展开讨论。实现位置 同步和其它控制一 样，有开环和闭环两种方法。开环控制的同步精 度取决于液压控制元件(如分流集流阀、同步缸 和同步马达等)本身的制造精度和负载刚度，没 有反馈补偿。闭环控制依靠对液 压执行元件 的位置偏差信号的检测和负反馈消除或减少位 差，因此。闭环的同步控制精度高，但是闭环的 组成结构较之开环复杂得多，不仅成本高昂，而 且使用、维护和保证其较高的可靠性难度大，所 以，目前相当多的主机设计者，在权衡利弊后，采用开环控制方案。尤其是 以价格低廉的分流 集流阀作为其同步控制元件。在采用分流集流阀为控制元件 的开环同步 控制系统 中，同步性能主要 取决于 阀的均分 系 统流量的能力，人们通 常以所谓其“同步误差(或其反义概念“同步精度”)来衡量，除此以外，液 压执行元件的容积效率和制造误差等因素，也对同步精度有影响。就影响分流集流阀的同 步精度的因素而言，人们较多的对阀的几何参 数、尺寸和形位公差、弹簧力、液动力、泄漏等因 素进行分析，而在阀的动、静态通流流量对同步 精度的影响方面 尽管不少液压行业内人员有 不 同程度的认识，并且因而设计 了 自调和 可调 式分流集流阀，但就流量影响的分析极少，使人 们在量级上的概念甚为模糊，制造和市场供应 单位的说 明书上亦无这方面的反 映，造成很多 1 2 用户未注意到这种元件应在规定的通流流量下 正确应用，对流量的动态变化影响知之更少，影 响到在主机液压系统设计的方案问题。事实上，当分流集流 阁的通流流量达不到额定流量 时，其实际使用中同步精度会下降，在外负载不等 时尤为严重。本文即论述应用分流集流阀的开环位置同 步系统中，在泵启动或换 向阀切换时流量改变 的动态工况以及泵供油不能达到分流集流阀的 额定流量的静态工况对同步精度的影响进行讨 论 由于分流集流阎的工作过程模型性质是非 线性的，所以本文应用的是解析建模和数字仿 真方法，其结果与我们现场试验观察的对象一 某 立体车库的液压升降台(应用分流集流阀)同步 系统工作过程一致。二、流量影响分流集流阔 同步精度 的理论 分析 为了从理论上研竞流量对分流集流阀同步 精度的影响，我们以某立体车库液压升降台同 步系统为例，进行数字仿真研究。1 建立系统数学模型0 由于篇幅所限，在此我们仅列出系统负重 上升时的数学模型，并对此进行研究。某立体车 库液压升降白系统起升工况简化原理图如图 1 所示，此时分流集流阀_处于分流工况。分流集流 阀结构原理图如图 2 所示。系统的状态方程如下所述 取状态变量 y l P y 2=P,I =户 Pd l y，一 声 B 液压 气动 与密封 1 9 9 8(2)维普资讯 国 1 升降 台起升工况 系统简化 原理国 国 2分 流 果 流 阀 结 构 原 理 囤 d d x l 7 一 百 8 一 1 y 9 一 百 。一 案 得状态方程组 警一 (Q，一 Q 1l Q 21)dy=yfl。(Qn-Qa 一 Q l。y )訾一 面一 (Ql 2一 Q3 2 一 Q蚰+A。Y T)d t 一 V T (Ql l+Q3 l+Q钉 一 Al y9 一 C1(一 户。)dt 一 V、(Q1 2+Q+Q4 2一 A2 Yl 1一 C2(弘 一 P。)液 压气 动与 由封 1 9 9 8(2)d y6一 7 出 川 一d yr一、出 一(2一 y a)An+，+Fs 一6 T一 2 k YB)d a d t 9 d y g一击(弘 A 一 M g F。一 B y。)d 】0 一击(。A 一 M g F 一 B y l1)方程 中各变量 的舍 义见图 1 和图 2。2 仿真及其结果分析 根据上 述状态 方程，应用 四阶龙 格一 库塔 法，用 Tu r b oC语言编制仿真程序，在 P C机上 运行。仿真程序流程图如图 3 所示。(1)系统加偏载时的动态精度 利 用升 降台的具体参数，得到在 系统 启动 或换向阀换 向时加偏载和系统稳定运行后 加偏 载两种情况下两缸的位移差和时间的关系。图 4中，曲线 1 是启动时加偏载工况的位 置误差，曲线 2 是 系统稳定运行之后加偏载工 况时的位置误差。图中，两位差 曲线都有 一达到 峰值后回落的现象，这是因为偏载引起的压力 差使得分流集流阀阀芯移动到达平衡位置也有 一过程的缘故。从图中可以看出，在由偏载引起 的动态过程中，曲线 1 达到的峰值较曲线 2 大 得多，这是因为工况 l中在加偏载时进入分流 集流阀及各 阀口的流量 尚处于一变化 的过程，没有达 到额定流量，而工况 2中在加偏载 时进 入分流集流 阀及各阀口的流量 已经达到额定流 量。当动态过程结束后，两曲线平行发展，此时 两种工况下进入分流集流阀及各阀口的流量均 已达到额定流量，两平行曲线的差值实际上就 是 曲线 1、2在动态过程中的积累之差。由此可 以看出，流量变化时分流集流 阀的同步精度显 著下降。1 3 维普资讯 图 3 仿真程序流程 图 图 5 是两种工况下的阀芯动态响应曲线。曲线 3 是系统启动时加偏载工况下的阀芯动态 响应曲线。曲线 4是系统稳定运行后加偏载工 况下的阀芯动态响应曲线。从 图中可以看出，工 况 1下的动态过程时间较工况 2下的动态过程 时间长，阀芯运动的最大位移也较大。图 4 位差仿真 曲线(2)泵供油小于阀额定流量时系统的稳态 1 4 图 5 阀芯动态响应仿真曲线 精度 当流经分流集 流阀的流量 小于额定流量 时，系统的同步精度明显降低，流量和同步精度 的关 系如 图 6所示。此时两缸 负载压差达到 1 O M Pa。图 6 流量影响分流集流阀同步精度仿真 曲线 由以上的分析可知，当流经分流集流 阀的 流量小于其额定流量时，阀的动、静态同步精度 都有所下降；当流经分流集流阀的流量大于其 额定流量时，阀的动、静态精度都有所提高，具 体分析 同前，在此不再赘述，但此时定节流孔节 流 压差 增大，使得能量 损失增 加，系统效率 降 低。三、仿真结果与实际应用的比较 在现场我们观察到，该液压升降台，当起升 之初某人立于升降平台一侧，造成偏差负载，在 随后的起升过程中，升降平台明显倾斜，显然此 时系统同步状况恶劣；若初始时不加偏载，而在 升降平 台稳定起 升之后，让某人跳上升降平 台 一侧，造成偏差负载，在随后的起升过程 中，升 液 压气 动与 密封 1 9 9 8(2)维普资讯 降平台没有明显的倾斜，这表明此时系统同步 状态良好 再观察升降台下行工况，情形亦是如 此。在系统启动时，通过分流集流阀的流量显然 是变化 的。这说明仿真结果和实际比较吻合。四、自调式和可调式分流集匀 c 阀的应用“自调式分流阀”是将定节流孔做成 自动调 整式。该阀是将分流阀上的一对定节流孔设置 在 一个定差减压阀的减 压口处，由定差减压 阀 的减压口组成面积能根据流量大小自动调整，前后油液压差基本等于常数，从而在流量突然 变化时，能保持相同的同步精度。我国在七十年 代后期，上海石油机械一厂生产过 应用这种 原 理 的阀，但 由于制 造工艺的原 因，精度难 以保 证，成功率很低。因此，在应用上海液压件二厂 生产的分 流集流 阀后，上海石油机械一厂就停 止 自调式分流阀的应用。七十年代，有关单位为某些液压件厂设计 过“自调式分流集流阀”和定节流孔可人工调节 的“可调式分流集流阀”。可调式分流集流阀可 以根据用户泵源需要，在主机调试时，一次调定 其于最优 流量值下工作 以期保证同步精度，但 实际上由于两个定节流孔很难用人工调到高度 对称，尤其是用户的现场设 有调试对称性和最 优流量的设备或手段，实际上，其同步精度主要 由于两定节流孔的对称性不足而难以I保证 五、结 论 流量对分流集流阀的同步精 度有很大的影 响。在许多场合，受结构、外部条件以及加载方 式等因素的限制，分 流集流阀不可能完全工作 在额定流量下，为了尽量 消除或减少流量的影 响，应尽可能使分流集流阀工作在额定流量或 高于额定流量附近 点，以尽可能使分流集流 阀 的同步精度维持在 稍高一些的水平上。参考文献 1 施光林等 液压同步闭环控制及其应用 机睐与液 压，1 9 9 7年第 3期 2 任锦堂 等 分漉集 浇阀的优 化设计 机 械设 计与 研 究，1 9 8 7年第 2 期 3 聂崇嘉 主编 液压 传动与 液力 传动 西 南交 通大 学 出版杜+1 9 9 1 年 9 月(上接 第 1 8页)数：m】=1 0 0 r a，m。=1 2 2 9 配流副的泄漏流量：Q 一2 1 4 7 9 1 ram s，Q r 一2 7 6 8 6 6 tur n s，机械效率=0 9 8 6 9，容积 效率 r b=0 9 9 8，总效率 7=9 8 5 五、结论 1)计算结果表明 配流副表面金属滑动摩 擦扭矩要远远大 于粘性摩擦扭矩，配流副摩擦 损 失远大于泄漏 损失，摩擦扭矩损失 占配流副 功率损失的绝大部分。2)对不同压紧系数下的结构的性能计算表 明，压紧系数的改变对摩擦扭矩损失影响很大，稍微加大压紧系数，就会使摩擦 扭矩损失成倍 增加，而对泄漏损失影响却很小。3)在优化过程中，通过改变压紧系数 约柬 液压气动与廖封 1 9 9 8(2)区域，而使之在不 同的压紧系数范围内寻优，可 以发现在不同的压紧系数的约束域 中，使功率 损失最小的最佳压紧系数总是趋于选此区域 中 的最小值。因此，在选择压紧系数时，为提高效 率，在保证配流副可靠工作面不脱开时，应尽量 选取较小的压紧系数 参考文献 1 陈卓如 低 速大扭矩液 压马达 理论、计算 与设计 机 械工业 出版杜，1 9 8 9 2 波诺马连科，径向柱塞式低速大扭矩液压马选 机 械 工业 出版杜，1 9 7 5 3李 元勋 液 压 马造 新 型 端 面配 流 副 理 论、实 验 及 C AD研究 哈 尔滨工业大学博士学位 论文，1 9 9 6 4 刘维 信，孟 嗣宗等 机械 最优化设计 清华大学 出版 社，1 9 8 6 5 余俊 优化方法程 序库 OP B 一 1 原 理及使用说 明 机 械工业出版杜，1 9 8 9 1 5 维普资讯