拖拉機電液提升控制閥的設(shè)計研究

楊俊茹，陳學(xué)成，李瑞川,2，徐繼康,3，趙 姍

(1.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590；2.山東五征集團，山東 日照 276800；3.日照海卓液壓有限公司，山東 日照 276800)

0 引言

電液提升控制閥是拖拉機電液提升系統(tǒng)中用于農(nóng)具提升和耕深控制的核心部件，其性能直接影響著拖拉機的作業(yè)質(zhì)量和效率[1-4]。目前，國產(chǎn)的拖拉機提升閥基本上都是機-液式，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度低[5-6]。而國外已廣泛使用電-液式提升控制閥，具有較強的抗污染能力及斷電安全穩(wěn)定性，且控制精度較高[7-9]。本文對拖拉機電液提升控制閥的工作原理進行了分析，并對其進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)建模與仿真分析。

1 電液提升控制閥總體結(jié)構(gòu)與工作原理

拖拉機電液提升控制閥上集成了定差減壓閥、比例提升閥、單向閥、比例下降閥和溢流閥，如圖1所示。其工作原理是：液壓泵輸出的液壓油經(jīng)定差減壓閥到達比例提升閥，若比例提升閥通電，比例下降閥不通電，則液壓油經(jīng)比例提升閥和單向閥進入單作用液壓缸，懸掛農(nóng)具提升。定差減壓閥能保持比例提升閥進出口的壓差恒定，使流量調(diào)節(jié)不受負載變化的影響；溢流閥作為安全閥，防止系統(tǒng)壓力過高。當(dāng)比例提升閥和比例下降閥均不通電時，由于單向閥和比例下降閥的反向截止作用，懸掛農(nóng)具停止在固定位置；當(dāng)比例提升閥不通電，而比例下降閥通電時，懸掛農(nóng)具在自重的作用下，液壓缸中的液壓油經(jīng)液壓比例下降閥流回油箱，懸掛農(nóng)具下降。

1.定差減壓閥 2.比例提升閥 3.單向閥 4.比例下降閥 5.溢流閥

2 控制閥各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計與數(shù)學(xué)建模

2.1 定差減壓閥

定差減壓閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其作為一個定差溢流型壓力補償器使用，能保持比例提升閥進出口的壓差恒定，使流量調(diào)節(jié)不受負載變化的影響，主油路壓力由負載壓力和彈簧預(yù)緊力來決定。

定差減壓閥閥芯的受力平衡方程為

KR(xRS+xR)+FRs+FRt

其中，dR為定差減壓閥閥芯直徑；p1為比例提升閥入口壓力；p2為比例提升閥出口壓力；mR為定差減壓閥閥芯等效質(zhì)量；BR為定差減壓閥閥芯粘性阻尼系數(shù)；KR為定差減壓閥彈簧剛度；xRS為定差減壓閥彈簧預(yù)壓縮量；xR為定差減壓閥閥芯位移；FRs為定差減壓閥閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力；FRt為定差減壓閥閥芯所受瞬態(tài)液動力。

圖2 定差減壓閥結(jié)構(gòu)圖

定差減壓閥壓力-流量方程為

其中，qR為定差減壓閥閥口流量；CdR為定差減壓閥節(jié)流口流量系數(shù)；ρ為油液密度；AR為定差減壓閥節(jié)流口通流截面積；p為定差減壓閥進口壓力。

2.2 比例提升閥

比例提升閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示。其是一個兩位三通電液比例換向閥，受控制單元控制，通過比例電磁鐵控制閥口的開度來控制比例提升閥的流量，從而控制懸掛機構(gòu)的提升速度。

試驗在湖南省畜牧獸醫(yī)研究所試驗鴨場進行，試鴨采用網(wǎng)上平養(yǎng)，自由飲水和采食，并按常規(guī)免疫，24 h光照；舍內(nèi)自然通風(fēng)，定期打掃衛(wèi)生和消毒，保持正常溫度，相對濕度為（60±5）%。

圖3 比例提升閥結(jié)構(gòu)圖

比例提升閥閥芯的受力平衡方程為

KT(xTS+xT)+FTs+FTt

其中，F(xiàn)TD為比例提升閥電磁鐵驅(qū)動力；dT為比例提升閥閥芯直徑；pT為比例提升閥閥芯電磁鐵作用端油腔液壓力；mT為比例提升閥閥芯等效質(zhì)量；BT為比例提升閥閥芯粘性阻尼系數(shù)；KT為比例提升閥彈簧剛度；xTS為比例電磁鐵在驅(qū)動力為零時比例提升閥閥芯彈簧預(yù)壓縮量；xT為比例提升閥閥芯位移；FTs為比例提升閥閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力；FRs為比例提升閥閥芯所受瞬態(tài)液動力。

比例提升閥壓力-流量方程為

其中，CdT為比例提升閥節(jié)流口流量系數(shù)；AT為比例提升閥流量調(diào)節(jié)節(jié)流口通流截面積。

2.3 比例下降閥

比例下降閥結(jié)構(gòu)如圖4所示。其是一個先導(dǎo)式兩位兩通閥，通過比例電磁鐵控制先導(dǎo)閥芯的位移來控制主閥芯的開度，進而控制比例下降閥的流量，從而控制懸掛機構(gòu)的下降速度。

圖4 比例下降閥結(jié)構(gòu)圖

比例下降閥主閥芯的受力平衡方程為

其中，F(xiàn)Mp為主閥芯兩側(cè)壓力產(chǎn)生的作用力；FP為先導(dǎo)閥對主閥芯的作用力；mM為主閥芯等效質(zhì)量；BM為主閥芯粘性阻尼系數(shù)；FMs為先導(dǎo)閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力；FMt為先導(dǎo)閥芯所受瞬態(tài)液動力。

其中，dMD為主閥阻尼孔直徑；lMD為先導(dǎo)閥阻尼孔長度；pL為比例下降閥進油壓力。

3 電液提升控制閥仿真分析

3.1 定差減壓閥

在AMEsim中建立定差減壓閥的HCD模型，如圖5所示。設(shè)置仿真條件如下：在定差減壓閥進油口接恒壓源P，壓力設(shè)為200bar，用可變節(jié)流閥來模擬系統(tǒng)負載，可變節(jié)流閥輸入信號設(shè)為在10s內(nèi)由1減小到0.6。在AMEsim中運行該HCD模型，得到節(jié)流閥前后兩端的壓力變化如圖6所示。

圖5 定差減壓閥HCD模型

圖6 節(jié)流閥前后兩端壓力變化

由圖6可以看出：隨著系統(tǒng)負載壓力的增大，節(jié)流閥前后兩端的壓力差基本上保持不變，大約為20bar，這是由定差減壓閥中彈簧的預(yù)緊力決定的。

3.2 比例提升閥

在AMEsim中建立比例提升閥的HCD模型如圖7所示。設(shè)置仿真條件如下：在比例提升閥進油口接恒壓源P，恒壓源P壓力設(shè)為200bar，在比例提升閥后接一個可變節(jié)流閥用以模擬系統(tǒng)負載。設(shè)置比例提升閥控制電流在10s內(nèi)由0mA線性增大到最大控制電流1 500mA。在AMEsim中運行該HCD模型，得到比例提升閥的輸出流量如圖8所示。

由圖8可以看出，電流對比例提升閥的控制過程可分為3個階段：第1階段，處于比例提升閥的死區(qū)，控制電流為0～375mA，此時比例提升閥閥芯節(jié)流口通流面積為0，沒有油液通過，輸出流量為零。第2階段，隨著比例提升閥控制電流的增大，閥芯位移增加，閥芯節(jié)流口通流面積逐漸增大，從而導(dǎo)致輸出流量逐漸增大。這一階段為比例提升閥的正常工作階段，輸出流量與控制電流基本上呈線性關(guān)系。第3階段，閥芯位移達到極限，即使控制電流繼續(xù)增大，輸出流量也不會再增加，而是保持最大值不變。

圖7 比例提升閥HCD模型

圖8 比例提升閥輸出流量

3.3 比例下降閥

在AMEsim中建立比例下降閥的HCD模型如圖9所示。

圖9 比例下降閥HCD模型

設(shè)置仿真條件如下：在進油口接恒壓源P，壓力設(shè)為200bar，出油口壓力設(shè)置為0，直接連接油箱。設(shè)置比例下降閥控制電流在10s內(nèi)由0mA線性增大到最大控制電流800mA。運行該HCD模型，得到的比例下降閥輸出流量如圖10所示。與比例提升閥相同，電流對比例下降閥的控制過程也分為3個階段。

圖10 比例下降閥輸出流量

3.4 電液提升控制閥

按圖1連接各液壓部件，建立整個電液提升系統(tǒng)的仿真模型，如圖11所示。系統(tǒng)動力由液壓泵提供，系統(tǒng)壓力設(shè)定為200bar。

圖11 電液提升控制閥仿真模型

提升過程比例下降閥關(guān)閉，控制信號為0；比例提升閥打開，給定相應(yīng)的輸入信號。圖12為比例提升閥的控制信號分別為600、750、900、1 050、1 200、1 350、1 500mA時液壓缸的位移曲線；圖13為液壓缸移動速度與比例提升閥控制電流的特性曲線。

與提升過程相反，下降過程比例提升閥關(guān)閉，控制信號為0；比例下降閥打開，給定相應(yīng)的輸入信號。圖14為比例下降閥的控制信號分別為320、400、480、560、640、720、800mA時液壓缸的位移曲線； 圖15為液壓缸移動速度與比例下降閥控制電流的特性曲線。

圖12 不同比例提升閥控制信號下液壓缸位移曲線

圖13 液壓缸移動速度與比例提升閥控制電流特性曲線

圖14 不同比例下降閥控制信號下液壓缸位移曲線

圖15 液壓缸移動速度與比例下降閥控制電流特性曲線

由圖中可以看出：在某一給定控制信號下，液壓缸移動速度基本保持恒定；液壓缸移動速度隨控制電流的增大而增大，二者線性度較好。

綜合以上仿真結(jié)果可以得出：電液提升控制閥處于提升工況時，比例提升閥工作，其開啟電流為375mA，在375～1 500mA的控制電流區(qū)間內(nèi)，流量、液壓缸移動速度與控制電流呈線性，最大流量為80L/min，液壓缸最大移動速度為0.076m/s，懸掛農(nóng)具由最低提升至最高需要的最短時間為1.84s；電液提升控制閥處于下降工況時，比例下降閥工作，其開啟電流為150mA，在150～800mA的控制電流區(qū)間內(nèi)，流量、液壓缸移動速度與控制電流呈線性，最大流量為92L/min，液壓缸最大移動速度為0.086m/s，懸掛農(nóng)具由最高下降至最低需要的最短時間為1.63s。電液提升控制閥響應(yīng)快且變化平穩(wěn)， 控制電流與輸出流量、 液壓缸移動速度線性度較好，滿足實際工作需要。

4 結(jié)論

分析了拖拉機電液提升控制閥的工作原理，并對其進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)學(xué)建模與仿真分析。所設(shè)計的電液提升控制閥響應(yīng)快且變化平穩(wěn)，控制電流與輸出流量、液壓缸移動速度線性度較好，滿足實際工作需要，有助于提高拖拉機提升閥的自動化程度與控制精度。