影響電液比例溢流型三通減壓閥輸出壓力囚素的數(shù)值分析
摘要：液動(dòng)力、彈簧力、液壓力等內(nèi)部擾動(dòng)影響壓力控制閻的輸出量與控制量的關(guān)系。本文通過數(shù)值分析非線性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，為定量設(shè)計(jì)分析液壓閥提供一種使內(nèi)部擾動(dòng)影響小化的新方法。
關(guān)鍵詞：壓力控制閥；非線性系統(tǒng)；數(shù)值分析；內(nèi)部擾動(dòng)影響；小化
中圖分類號(hào)：THl37．52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：100l一388l（2007）12一099—3
Numerical Analysis on the IIlfluence of output Pressure ofThree-way Pilot PI．opOrtional Pressure Reducing ValVeJlANG Fuxiang（Huaian College of Info哪ation Technology， Huaian Jiangsu 223003， China）Abst忸ct：The relation between output pressure and manipulated va—ables iB胡．ected by intenlal disturbance 8uch船now forces，elastic forces，pressure etc．The iIlfluence of m趴ipuIated variables肌d intemal disturbance on the controlled variable of山ree·way pilot
proporti∞al pressure reducing valve w硒analyzed． It provides a new method by which the intemal dislurbance innuence on outputis minimized．
KeywoHls： Pressure control valve； Nonljne盯8ystem； Numerical鋤alysis； Intemal disturbance innuence； Minimizati∞
O前言
壓力控制閥的輸出量與控制量顯線性關(guān)系是理想的追求，由于存在液動(dòng)力、彈簧力、液壓力等干擾影
響，目前，在解決輸出量與控制量全程范圍內(nèi)顯線性關(guān)系問題方面，定性分析對(duì)抑制干擾影響收效甚微。
   本文應(yīng)用TK Solver數(shù)值分析非線性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，定量分析該閥控制量（調(diào)節(jié)電流或電壓）、干擾量（先導(dǎo)閥芯及主閥芯所受液動(dòng)力、先導(dǎo)閥芯及主閥芯彈簧力等）對(duì)輸出量的影響程度，通過調(diào)節(jié)初始參數(shù)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)有效抑制了干擾影響，使輸出量與控制量的線性關(guān)系較為理想。
1 電液比例溢流型三通減壓閥簡(jiǎn)介
應(yīng)用出口壓力直接檢測(cè)反饋和級(jí)間動(dòng)壓反饋原理研制開發(fā)的電液比例溢流型三通減壓閥?的結(jié)構(gòu)原
理如圖1所示。其工作原理如下：當(dāng)?shù)蚨ǚ糯笃鬏斎穗妷汉?，比例電磁鐵輸出電磁力F肼，此時(shí)閥輸出壓力p^有一個(gè)相應(yīng)值，若因某種干擾使圖l電液比例溢流型三出口壓力降低將引起通減壓閥結(jié)構(gòu)原理先導(dǎo)閥芯向左移動(dòng)，左邊可變節(jié)流口增大，右邊可變節(jié)流口減少，先導(dǎo)閥腔壓力p，及主閥上腔壓力．口：上升，在以上升和P．下降的共同作用下，主閥芯向下運(yùn)動(dòng)，主閥可變節(jié)流口開大，致使p^上升，這樣就使輸出壓力n保持在調(diào)定值。當(dāng)輸出壓力p．增大超過調(diào)定值時(shí)（如p．用于動(dòng)力負(fù)載時(shí)），先導(dǎo)閥芯向右移動(dòng)，先導(dǎo)閥左邊可變節(jié)流口變小，右邊可變節(jié)流口開大，致使先導(dǎo)閥腔壓力見及主閥上腔壓力p：下降，主閥芯上移，使進(jìn)油口B與出油口T相通，此時(shí)就相當(dāng)于溢流閥。
2數(shù)學(xué)模型與仿真
建立力平衡方程、連續(xù)方程、動(dòng)量方程、流量一壓力方程組采用Ne叭on．Raphson算法迭代求解。為了提高仿真精度，需要考慮流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化¨。。弓形節(jié)流口面積函數(shù)A（Ⅳ力=Ⅳ【譬arccos（1一言）一2（1一言）√吉一（吉）2】圓拱形節(jié)流口濕周長(zhǎng)函數(shù)c，（J7＼r，z）=Ⅳl Darccos（1一箐）一2；√D—zl
雷諾數(shù)m=4∥（C∥）流量系數(shù)方程 fC抽當(dāng)舶≥廊。時(shí)“【后√尺e 當(dāng)如<舶。時(shí)為了避免電磁力L與輸入電壓關(guān)系的影響，分析中用電磁力作為輸入信號(hào)。算法流程如圖2所示。圖2及式中：A，、A”A，分別為先導(dǎo)閥反饋推桿面積、先導(dǎo)閥芯左端面積、先導(dǎo)閥芯右端面積；八髫分別為先導(dǎo)閥芯位移、主閥芯位移；yl、五分別為先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量、主閥彈簧預(yù)壓縮量；％、q分別為先導(dǎo)閥彈簧剛度、主閥彈簧剛度；n為比例電磁鐵輸出電磁力；，h、，h分別為先導(dǎo)閥芯所受彈性力、主閥芯所受彈性力；n、幾、以分別為主閥出口壓力、
     主閥進(jìn)口壓力、先導(dǎo)閥腔壓力；％。、，廳R、吒分別為先導(dǎo)閥芯在左、右閥口所受液動(dòng)力，主閥芯所受液動(dòng)力；一。。、A一分別為主閥芯下端面積、主閥芯上端面積；z為拱高；Ⅳ為孔數(shù)；船、船。分別為雷諾數(shù)、臨界雷諾數(shù)；巳、G一分別為流量系數(shù)、紊流時(shí)大流量系數(shù)；t，為運(yùn)動(dòng)粘度；C。為濕周長(zhǎng)。圖2算法流程仿真結(jié)果?與實(shí)驗(yàn)結(jié)果‘41在額定負(fù)載、負(fù)載流量為O情況下減壓、溢流四種特性誤差均不超過
4．5％，說(shuō)明所建數(shù)學(xué)模型及方法*可用于非線性液壓元件的分析研究。
3控制量、干擾量對(duì)輸出量的影響分析
從“壓力取決于負(fù)載”出發(fā)討論分析電液比例溢流型三通減壓閥的控制量、干擾量對(duì)輸出量的影響。先導(dǎo)閥芯力平衡方程ptAF+p|An+F扎=FM+Fb+pIAr+F姆先導(dǎo)閥芯受力面積關(guān)系勺=A—A，主閥芯力平衡方程p_A一+，A=p，A，呻。+，h主閥芯受力面積關(guān)系A(chǔ)利=A一=A聯(lián)解以上4個(gè)方程式得輸出壓力：
”壘!生±墜二幺+![益?
2A， 2A由上式可知控制輸出壓力p．的因素有電磁力、先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥芯所受液動(dòng)力、主閥彈簧力和主閥芯所受液動(dòng)力、反饋桿面積、主閥芯上下端面積等因素，各因素對(duì)輸出壓力辦的影響如圖3所示。（-）控制量電磁力對(duì)出口壓力影響情況，·，，N（b）干擾對(duì)出口壓力影響情況A一出口壓力F一電磁力作用產(chǎn)生的出口壓力分量e、s一先導(dǎo)閥、主閥彈性力作用產(chǎn)生的出口壓力分量L、R、曠先導(dǎo)閥左、右閥口、主閥口液動(dòng)力產(chǎn)生的出口壓力分量圖3各因素對(duì)輸出壓力的影響圖3（a）、（b）說(shuō)明電磁力、先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥芯所受液動(dòng)力、主閥彈簧力和主閥芯所受液動(dòng)力對(duì)出口壓力p．的影響情況（負(fù)載節(jié)流閥額定開度）。從圖中可以看出：控制量電磁力對(duì)輸出量p^的作用在電磁力lO一90N范圍內(nèi)占60％一80％，液動(dòng)力、彈簧力等內(nèi)部干擾對(duì)輸出量n的作用占40％一20％。如果內(nèi)部干擾對(duì)出口壓力n的影響作用小就可獲得較為理想的出口壓力n一電磁力n的關(guān)系。輸出壓力n主要取決于電磁力，先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力次之。當(dāng)先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力上升時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥左閥口液動(dòng)力所產(chǎn)生的出口壓力分量下降，部分抵消了先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力對(duì)出口壓力的影響作用。由于主閥芯上下端面積較大，液壓力起主導(dǎo)作用，主閥彈簧力和主閥芯液動(dòng)力對(duì)出口壓力影響較小，且變化很小。
在應(yīng)用中可選擇不同參數(shù)組合仿真尋求*效果，也可以從干擾因素變化對(duì)輸出量的影響規(guī)律中求
取*設(shè)計(jì)參數(shù)，這還有助于加深對(duì)各干擾量作用度的了解。
4 內(nèi)部干擾對(duì)輸出影響規(guī)律分析
先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量E對(duì)出口壓力影響如圖4所示。先導(dǎo)閥預(yù)壓量增加lmm，出口壓力p．上升近2MPa，其作用效果與電磁力相似。第12期姜福祥等：影響電液比例溢流型三通減壓閥輸出壓力因素的數(shù)值分析·lOl· 對(duì)出言銎凳毳磊嘉琶專嘉：：F葺硼對(duì)出口壓力影響如圖5所30卜-寸=王擊i右制
示，由于直接反饋的原因先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔磁力關(guān)系曲線
中心距差D。對(duì)出口壓力影響原因是：左右節(jié)流孔流量相等，而先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孑L中心距差D，決定左右節(jié)流孔通流面積比（液導(dǎo)比），從而改變左右節(jié)流孔液動(dòng)力差值，這樣就對(duì)出口壓力產(chǎn)生影響。先導(dǎo)閥液動(dòng)力的影響由于是兩者之差，若能基本保證兩者差值基本不變，先導(dǎo)閥液動(dòng)力對(duì)出口壓力p^一電磁力L關(guān)系的線性程度影響就很小。圖7為一定電磁力下，輸出壓力與先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差D，的關(guān)系曲線。圖8為先導(dǎo)閥液動(dòng)力與先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差D，關(guān)系曲線（“=20N）。圖7先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差與輸出壓力的關(guān)系曲線
5結(jié)束語(yǔ)
應(yīng)用TK solver數(shù)值分析非線性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，仿真
的精度高，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用中選擇不同參數(shù)組合仿真尋求*效果，也可以從干擾因素變化對(duì)輸出量的影響規(guī)律中求取*設(shè)計(jì)參數(shù)，這還有助于加深對(duì)各干擾量作用度的了解。該方法為閥的設(shè)計(jì)分析提供了一種新方法。
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（1）采用開環(huán)控制系統(tǒng)，即只進(jìn)行壓力參數(shù)的
實(shí)時(shí)檢測(cè)，而不反饋控制，摩擦壓力的相對(duì)誤差為11．23％，變異系數(shù)為0．57％；頂鍛壓力的相對(duì)誤差為8．52％，變異系數(shù)為O．42％。
（2）采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，摩擦壓力的相對(duì)誤差為0．54％，變異系數(shù)為0．06％；頂鍛壓力的相對(duì)誤
差為O．3l％，變異系數(shù)為0．02％。由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知：采用閉環(huán)控制，軸向壓力值的準(zhǔn)確性及離散性均比開環(huán)控制小一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明所研制的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有軸向壓力穩(wěn)定、誤差小、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已在127mm石油鉆桿的修復(fù)與生產(chǎn)中得到應(yīng)用。
4結(jié)論
（1）基于電液比例技術(shù)的摩擦焊計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軸向壓力的閉環(huán)控制，壓力控制精度高，重現(xiàn)性好，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，軸向壓力控制的相對(duì)誤差小于l％，變異系數(shù)接近0。
（2）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速，軸向壓力、軸向位移、的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)繪制實(shí)時(shí)變化曲線，并顯示原始數(shù)據(jù)，方便對(duì)焊接件進(jìn)行質(zhì)量跟蹤分析。
（3）所編制的winndows2000平臺(tái)上的摩擦焊計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制軟件，界面豐富，功能齊全，人機(jī)交互
友好。
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作者簡(jiǎn)介：朱海（1967一），男，副教授，現(xiàn)主要從
事材料成型與過程控制方面的科研與教學(xué)工作。：收稿日期：2007一04—03
影響電液比例溢流型三通減壓閥輸出壓力因素的數(shù)值分析
機(jī)床與液壓
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1.期刊論文郎燕.李運(yùn)華.Lang Yan.Li Yunhua 電液復(fù)合調(diào)節(jié)作動(dòng)器的線性化建模與控制針對(duì)經(jīng)典泵控電液作動(dòng)器固有頻率低的問題,對(duì)原系統(tǒng)增加了一個(gè)新設(shè)計(jì)的總壓力控制閥,它可保證作動(dòng)筒兩個(gè)工作腔的壓力之和始終為一常數(shù)并使
兩腔壓力可控,從而使泵控系統(tǒng)達(dá)到和閥控系統(tǒng)相當(dāng)?shù)墓逃蓄l率.這種改進(jìn)型作動(dòng)器稱為EHCA（Electro-Hy-draulic Compound regulating integrated
Actuator）.針對(duì)存在的相乘非線性控制問題,通過分析EHCA和總壓力控制閥的工作原理,設(shè)計(jì)了基于線性化方法的滑?？刂破?并分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速和變
量泵排量在不同工況下的控制量大小配合問題.分析和仿真證明,該設(shè)計(jì)思想是有效實(shí)現(xiàn)率、節(jié)能和快響應(yīng)的電液組合作動(dòng)器方案.
2.期刊論文姜福祥.郁凱元電液比例三通溢流型減壓閥先導(dǎo)液橋設(shè)計(jì) -液壓與氣動(dòng)2008,""（7）
建立電液比例三通溢流型減壓閥數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用數(shù)值分析仿真結(jié)果和樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,數(shù)值方法能有效地解決液壓系統(tǒng)的非線性問題,直觀地反映參數(shù)變化對(duì)性能的影響.為準(zhǔn)確選取參數(shù),縮短設(shè)計(jì)周期,降低研發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),提供一種數(shù)值分析設(shè)計(jì)方法.
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