蔣 淋, 姚平喜
(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山西 太原 030024; 2.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030024)
液壓系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)有兩個(gè)或多個(gè)液壓執(zhí)行元件需要實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)的情況[1]。實(shí)現(xiàn)液壓同步的方案有很多,可歸納為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中開(kāi)環(huán)控制中沒(méi)有壓力反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié),其同步精度取決于液壓控制元件本身的制造精度和負(fù)載剛度;閉環(huán)控制中有對(duì)液壓執(zhí)行元件偏差信號(hào)的檢測(cè)和負(fù)反饋環(huán)節(jié),相對(duì)同步精度高,但是其結(jié)構(gòu)較開(kāi)環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜,且制造、使用、維護(hù)和保證其較高的可靠性難度大[2]。因此,在很多情況下,開(kāi)環(huán)控制仍然是液壓同步技術(shù)中的首選方案,尤其是同步閥因其價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。
目前市場(chǎng)上普遍使用的同步閥具有兩級(jí)結(jié)構(gòu),第一級(jí)結(jié)構(gòu)是2個(gè)固定節(jié)流口,它的主要作用是將流量信號(hào)轉(zhuǎn)化成壓力信號(hào)反饋給左右彈簧腔;第二級(jí)結(jié)構(gòu)是2個(gè)可變節(jié)流口,它主要作用是對(duì)負(fù)載壓差進(jìn)行補(bǔ)償,其過(guò)流面積大小受閥芯兩端壓力反饋控制[4]。在實(shí)際工作中,同步閥經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)負(fù)載壓差和入口流量不等于額定流量的情況,從而產(chǎn)生同步誤差,這些誤差是原理性的,不會(huì)因同步閥加工精度的提高而減小。
不能適應(yīng)較大范圍的偏載和流量波動(dòng)大大限制了同步閥的實(shí)際應(yīng)用范圍[5],為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者從以下3個(gè)方面做了研究:改變一次節(jié)流口,比如可調(diào)式同步閥和自調(diào)式同步閥,但是它們都不能適應(yīng)流量經(jīng)常變化的場(chǎng)合[6];研究影響同步閥精度的因素(液動(dòng)力、內(nèi)漏、簧的不對(duì)稱(chēng)力、制造誤差等)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或者對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[7];將同步閥與其他元件一起組成同步回路,它的特點(diǎn)是不完全依賴(lài)同步閥來(lái)控制系統(tǒng)同步,相對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜,成本高,響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)[8]。
由負(fù)載壓差和流量變引起的同步誤差是原理性的,不會(huì)因?yàn)殚y制造精度的提高而減小,除此之外,偏載和流量波動(dòng)造成同步閥產(chǎn)生同步誤差的機(jī)理不同,很難用一種統(tǒng)一的方法去補(bǔ)償,因此提出對(duì)其分別進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)原理性的同步誤差的全補(bǔ)償,即為原理性誤差全補(bǔ)償理論?;谠摾碚撎岢鲆环N具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的新型同步閥模型,第一級(jí)結(jié)構(gòu)為固定節(jié)流口,第二級(jí)結(jié)構(gòu)為負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí),第三級(jí)結(jié)構(gòu)為流量偏差補(bǔ)償級(jí),后兩級(jí)結(jié)構(gòu)按照同步誤差隨負(fù)載偏差和流量波動(dòng)的變化規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。
傳統(tǒng)同步閥由2個(gè)固定節(jié)流口和2個(gè)可變節(jié)流口組成,如圖1所示。2個(gè)固定節(jié)流口的面積和入口壓力相同,要保證兩支路流量q1=q2,只需保證兩固定節(jié)流口出口壓力p1=p2即可[9]。根據(jù)薄壁小孔流量公式:
(1)
式中,q—— 入口流量
Cd—— 節(jié)流口流量系數(shù)
A0—— 薄壁小孔橫截面積
Δp—— 薄壁小孔兩端壓力差
ρ—— 液壓油密度
則通過(guò)兩可變節(jié)流口的流量q1,q2分別為:
(2)
(3)
式中,A1,A2—— 可變節(jié)流口面積
p1,p2—— 可變節(jié)流口入口壓力
pA,pB—— 負(fù)載壓力
圖1 傳統(tǒng)同步閥原理圖
在負(fù)載壓差不為0且入口流量恒定的情況下,此時(shí)兩支路負(fù)載pA≠pB,由于流體內(nèi)分子之間的擠壓必然使兩固定節(jié)流口出口壓力p1≠p2,從而導(dǎo)致兩支路流量q1≠q2[10]。根據(jù)式(2)和式(3),要消除負(fù)載壓差引起的同步誤差,只需使可變節(jié)流口面積滿(mǎn)足:
(4)
當(dāng)負(fù)載壓差為0時(shí),入口流量的變化不會(huì)引起同步誤差。當(dāng)負(fù)載壓差不為0時(shí),閥芯在負(fù)載壓差的作用下,處于某固定位置,2個(gè)可變節(jié)流口位置固定且其面積大小A1與A2滿(mǎn)足式(4)。此時(shí)若入口流量發(fā)生變化,必然導(dǎo)致式(4)建立的平衡被打破,從而導(dǎo)致q1≠q2,此時(shí)的同步誤差是由流量偏差引起的。
由式(4)可知,為使兩支路流量相等,當(dāng)pA>pB時(shí),要增大A1,減小A2;當(dāng)pA 為了解決這些問(wèn)題,提出負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí)的設(shè)計(jì)采用單邊補(bǔ)償?shù)姆绞?,即產(chǎn)生負(fù)載壓差時(shí),把負(fù)載小的一端開(kāi)口減小,負(fù)載大的一端開(kāi)口不變,最終使兩支路液阻相等,實(shí)現(xiàn)流量的平均分配。假設(shè)兩支路負(fù)載pA>pB,導(dǎo)致兩支路流量q1 (5) (6) (7) 根據(jù)同步閥的應(yīng)用選取其額定流量q0和最大負(fù)載壓力pmax,使入口流量可在額定流量50%的范圍內(nèi)變化,負(fù)載壓差在最大負(fù)載壓力40%的范圍內(nèi)變化。用MATLAB畫(huà)出節(jié)流口面積隨入口流量和負(fù)載壓差變化的曲面,如圖2所示,其中仿真參數(shù)如表1所示。從圖中可以看出負(fù)載壓差越大節(jié)流口面積越小,入口流量越大節(jié)流口面積越大,且變化規(guī)律都是非線性的。 圖2 節(jié)流口面積隨流量和負(fù)載壓差的變化 表1 MATLAB仿真參數(shù)表 為了研究?jī)H有負(fù)載變化時(shí),可變節(jié)流口面積的變化趨勢(shì),用MATLAB根據(jù)式(7)畫(huà)出在不同的恒定入口流量下節(jié)流口面積隨負(fù)載壓差變化的曲線,如圖3所示。從圖3中可以看出,負(fù)載壓差越大,節(jié)流口面積越小且負(fù)載壓差每增大2 MPa,節(jié)流口面積減小的幅值越小,呈現(xiàn)出典型的非線性關(guān)系,該節(jié)流口面積變化曲線是容易實(shí)現(xiàn)的。 同理,為了研究?jī)H有入口流量變化時(shí),可變節(jié)流口面積的變化趨勢(shì),根據(jù)式(7)用MATLAB畫(huà)出在不同的負(fù)載壓差下節(jié)流口面積隨入口流量變化的曲線,如圖4所示,從圖4中可以看出入口流量越大,節(jié)流口面積越大且入口流量每增大5 L/min,節(jié)流口面積增大的幅值沒(méi)有明顯變化,入口流量變化對(duì)可變節(jié)流口面積的影響近似為線性,因此通過(guò)可變節(jié)流口面積變化能對(duì)入口流量變化產(chǎn)生的同步誤差起到較好的補(bǔ)償。 圖3 不同流量下節(jié)流口面積隨負(fù)載壓差的變化 圖4 不同負(fù)載壓差下節(jié)流口面積隨流量的變化 傳統(tǒng)同步閥可變節(jié)流口的面積是是關(guān)于閥芯位移的二元函數(shù),如圖2所示,所以通過(guò)一組可變節(jié)流口的面積變化是無(wú)法同時(shí)消除負(fù)載壓差和流量偏差所造成的同步誤差的。通過(guò)分析從圖3和圖4發(fā)現(xiàn),利用兩組可變節(jié)流口對(duì)負(fù)載壓差和流量偏差引起的同步誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償是能夠?qū)崿F(xiàn)的。 對(duì)由負(fù)載壓差和流量偏差引起的同步誤差分別進(jìn)行補(bǔ)償,并通過(guò)它們影響可變節(jié)流口面積的變化規(guī)律盡量進(jìn)行完全補(bǔ)償,即為原理性誤差全補(bǔ)償?shù)睦砟?,基于此提出具有三?jí)結(jié)構(gòu)的新型同步閥模型,如圖第一級(jí)為固定節(jié)流口,第二級(jí)為負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí),第三級(jí)為流量偏差補(bǔ)償級(jí),如圖5所示。 圖5 新型三級(jí)同步閥原理圖 第一級(jí)固定節(jié)流口的作用將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓差信號(hào)反饋給閥芯兩端,還能防止系統(tǒng)啟動(dòng)關(guān)?;蛘邠Q向時(shí)同步閥中出現(xiàn)液壓沖擊。減小固定節(jié)流口直徑會(huì)減小流量差從而提高閥同步精度,所以將2個(gè)固定節(jié)流口設(shè)計(jì)為細(xì)長(zhǎng)孔,細(xì)長(zhǎng)孔的流量公式為: (8) 式中,d—— 固定節(jié)流口直徑 l—— 固定節(jié)流口長(zhǎng)度 η—— 液體動(dòng)力黏度 Δp′ —— 通過(guò)固定節(jié)流孔的前后壓差 根據(jù)原理性誤差全補(bǔ)償理論,我們假設(shè)入口流量為額定流量,即q=q0,此時(shí)偏載產(chǎn)生的誤差通過(guò)負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)前文提到的單邊補(bǔ)償,我們假定兩支路負(fù)載壓差Δp>0,此時(shí)左可變節(jié)流口面積A1為常數(shù),代入式(7)得到右可變節(jié)流口面積A2的關(guān)于負(fù)載壓差Δp的函數(shù): (9) 同理,當(dāng)Δp≤0時(shí),A2為常數(shù),代入式(7)得到左可變節(jié)流口面積A1的函數(shù): (10) 用MATLAB畫(huà)出兩節(jié)流口面積隨負(fù)載壓差變化的曲線,如圖6所示,當(dāng)Δp>0時(shí),Δp越大,A2越小,其斜率越小;當(dāng)Δp<0時(shí),Δp越小,A1越小,其斜率越??;當(dāng)Δp=0時(shí),A1=A2。負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí)可變節(jié)流口面積隨負(fù)載壓差的變化趨勢(shì)符合根據(jù)圖3得出的結(jié)論。 圖6 節(jié)流口面積隨負(fù)載壓差的變化 若入口流量改變,用流量偏差補(bǔ)償級(jí)對(duì)流量偏差進(jìn)行補(bǔ)償,可變節(jié)流口變化的最終結(jié)果要使兩支路液阻相等,根據(jù)流量關(guān)系q=q1+q2,聯(lián)立式(2)、式(3)、式(8),得到q1關(guān)于q的函數(shù): (11) 用MATLAB畫(huà)出q1,q2隨q變化的曲線,如圖7所示,q越大,q1,q2越大,且q1的變化幅度大于q2的變化幅度,兩條曲線的交點(diǎn)為(q0,A0)。根據(jù)圖7得出結(jié)論,當(dāng)q 圖7 兩支路流量隨入口流量的變化 假設(shè)入口流量從額定流量q0變成了q,為了使兩支路液阻相等,負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí)的壓差變化和流量補(bǔ)償級(jí)的壓差變化總值要相等,即Δ(p3-pA)=Δ(p2-p4)+c,將薄壁小孔流量公式代入有: (12) 同理Δ(p4-pB)=Δ(p1-p3)+c,即: (13) 式中,A3,A4—— 流量偏差補(bǔ)償級(jí)左、右可變節(jié)流口面積 c—— 常數(shù) 式(12) 、式(13)變形得到兩可變節(jié)流口面積函數(shù): (14) (15) 公式變形過(guò)程中常數(shù)c變成了c′,當(dāng)c′=0時(shí),用MATLAB畫(huà)出流量偏差補(bǔ)償級(jí)兩節(jié)流口面積隨入口流量變化的曲線,如圖8所示,q 圖8 節(jié)流口面積隨入口流量的變化 結(jié)合新型同步閥工作原理,利用AMESim對(duì)軟件其進(jìn)行仿真。新型同步閥在入口流量為額定流量20 L/min、負(fù)載壓差在最大負(fù)載壓力40%的范圍內(nèi),即0~12 MPa內(nèi)變化時(shí),左、右兩支路流量q1,q2隨時(shí)間變化如圖9所示。圖10為在不同負(fù)載壓差下q1,q2的局部放大圖,根據(jù)同步誤差的計(jì)算公式 得出,當(dāng)負(fù)載壓差為0時(shí),同步誤差最小,其值為0.3%;隨著負(fù)載壓差增大,同步誤差緩慢增加,維持在0.4%左右。 圖9 不同負(fù)載壓差下q1, q2隨時(shí)間的變化 圖10 不同負(fù)載下q1, q2局部放大圖 在負(fù)載壓差為10 MPa、入口流量在在額定值50%的范圍內(nèi),即20~30 L/min變化時(shí),左、右兩支路流量q1,q2隨時(shí)間變化如圖11所示。圖12為局部放大圖。通過(guò)同步誤差的計(jì)算公式,得到不同入口流量下同步閥對(duì)應(yīng)的同步誤差,在入口流量為額定值20 L/min 時(shí),同步誤差為0;隨著入口流,量增大,同步誤差略微上升,在入口流量為20 L/min時(shí),同步誤差達(dá)到最大值0.6%。 圖11 不同流量下q1, q2隨時(shí)間的變化圖 圖12 不同流量下q1, q2局部放大圖 (1) 針對(duì)同步閥分流精度低的現(xiàn)狀,對(duì)同步閥產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析,得到了欲使分流誤差為0時(shí)可變節(jié)流口開(kāi)口面積的變化規(guī)律,為實(shí)現(xiàn)誤差的全補(bǔ)償提供了依據(jù); (2) 針對(duì)負(fù)載偏差引起的誤差和流量偏差引起的誤差的不同變化規(guī)律,提出對(duì)負(fù)載偏差引起的誤差和流量偏差引起的誤差分別補(bǔ)償?shù)脑?,并按照變化?guī)律盡量進(jìn)行完全補(bǔ)償,即原理性誤差全補(bǔ)償?shù)母拍?。提出三?jí)閥的概念,第一級(jí)為固定節(jié)流口,第二級(jí)為負(fù)載壓差補(bǔ)償級(jí),第三級(jí)為流量偏差補(bǔ)償級(jí),對(duì)由負(fù)載偏差和流量偏差引起的誤差分別完全補(bǔ)償,并分析了負(fù)載偏差補(bǔ)償級(jí)和流量偏差補(bǔ)償級(jí)的節(jié)流口面積的變化規(guī)律; (3) 提出一種高精度(同步誤差低于1%)、抗負(fù)載壓差能力強(qiáng)(為最大負(fù)載的40%)、抗流量偏差能力強(qiáng)(為額定流量的50%)的新型同步閥模型。2 原理性誤差全補(bǔ)償理論
3 仿真驗(yàn)證
4 結(jié)論