（机械电子工程专业论文）电液伺服阀优化设计.pdf

摘要 电液伺服阀是电液伺服系统的重要组件，在现代自动控制系统中得到日益广泛 的应用。电液伺服阀的性能会直接影响整个系统的性能，为了获得良好的稳定性 能和快速性，有必要对电液伺服阀进行优化，进一步提高其性能，以满足工程控 制中的要求。传统方法在进行动态设计时，只是凭着经验改变某些参数，带有很 大盲目性，设计过程较长。事实上，阀的动态特性不是和阀的某一个参数有关系， 而是和阀的许多参数以及这些参数的不同组合有关系。应用优化理论对伺服阀进 行优化设计，再结合经验，可以在很大程度上缩短设计过程。 论文介绍了电液伺服阀分类，着重介绍了双喷嘴挡板式电液伺服阀的组成与工 作原理、电液伺服阀的性能特点；建立了双喷嘴挡板式电液伺服阀的非线性数学 模型，并根据实际情况对模型进行了适当简化；根据设计要求完成了国产双喷嘴 挡板式电液伺服阀静态参数的设计计算，并用m a t l a bg u i 完成了其静态参数设计 计算的软件，实现了双喷嘴挡板式电液伺服阀静态参数设计计算，通过g u i 和手 动计算结果比较，g u i 计算的结果符合实际情况，满足工程要求； 在阀的静态设计的基础上，根据提高伺服阀频宽和稳定性的要求，通过选取目 标函数和优化参数、确立约束条件、建立优化模型，利用多目标优化设计方法， 对影响力反馈式电液伺服阀性能的8 个重要参数进行优化，从而在保证伺服阀稳 定的前提下增加伺服阀的频宽，即提高伺服阀的快速性。 论文选取国产的q d y 电液伺服阀进行参数优化，仿真结果表明：经过优化后伺 服阀的频宽有了大幅提高，相角和幅值裕度比优化前有明显改善。与优化前相比， 电液伺服阀的稳定性和快速性都得到了不同程度的提升。 关键词：伺服阀g u 优化仿真 a b s t r a c t t h ee l c c 订o h y d r a u l i cs e n ，o v a l v ei st h e k e ye l e m e n t i n e l e c 拓o - h ”l r a u l i c s e o c o n 打0 1s y s t 锄锄dl 墙c di i lm 妇a u t 0 哪a t i cc o n 仃o ls y s t 锄b r o a d l y t h e p e 墒m 锄c ec h a r t c r i s t i c so fe l e c 仃o h y d r a u h cs e r v o - v a l v ed i r o c t l ya 脓tm e p c r f o m 锄c eo ft h ew h o l eh y d r 肌l i cs e r v o c 伽n d ls y s t a n ni sn c c e s s a r yt o 叩t 砌z e t l l ep a 砌e t e 塔o ft l l es e r v o - v a l v ef o ri m p r o v i n gt h ed y n 锄i cs e r 、，o - c o n t r o ls y s t 锄 p 曲m 托c e s i n c eag 印e r a lw a yo fs - v a i v c sd y l l a n l i cp a r 锄c t e 培d e s i 弘i ss o m e c o n f i 舯b l ep a f 锄e 岫甜j u s 锄晰t he x p c r i e n c e s ，“l e a d s t 0t l l e p f o c e s so f s e o 。v a l v e sd c s i 鲈w 枷n gt o om u c hn m e h 血咄t h ed y n a l i l i cp e r f b 玎【i l 锄c eo f s e r v o - v d l v ei sc 0 皿e c t e dw i 也1 0 t so fp a r 锄e t e 塔1 1 1 ep m c e 鹞0 fs e n ，o v a l v e sd e s i 驴 w o l l l db es 吼t 吼b y 惦i n go p 血n i z a t i t l l r y 柚de x p e r i c c h lo r d 盯 t 0 i m p m v e t l l e d y i l a i i l i cp 棚锄c eo fm e 向r c c 缸d b a c k e l e c 缸d h 扣i 瑚l i cs e r v o - v a l v e ，t h ep r t i c a l h e m ew 勰d i s c l l s s e dt o ht l l e 叩t i i i l i z a t i o no f v a l v ep a 姗e t e 侣o nt h eb 嚣i so f s t a t i cs 龇d 锚i 印i l lt h i sp a p f i r s t ， t l l e 帅eo fe l e c t r o - b y 山麓u l i cs e r v o - v a l 、，e ，姐dt h ep r i n c i p i 啪姐dc h 锄c t c r i s t i co fm e f o r c e - f c e d b a c ke l e c t h y d 啪l i cs e r y o - v a l v ei si n t r o d u c e d s e c o n d l y m en 一1 i l l e 盯 锄l 蛳c a lm o d e lo ft w o - s t a g ee l e c 的_ h y ( 1 瑚l i cf b r c e f c e d b a c ks e n ，o - v a l v ei sb u i n t i l i r d l y ，s t a n cp a r 锄c t e r so f t l l et w o s t a g ee l e c 仃o h y d r a u l i cs e r v o v a l v ea r ec a l c l l l a t e d ， 柚dt l l es o f t w a o fc a l c u l a t i n gs t a t i cp a r 锄e t e 璐、】l r i t hm a t u 出g u i ( g m p m c su s c r i n t 硎e ) a u t o m a t i c a l l yi sd c s i 印c d f i n a l l y ，8i n l p o r t a n td y l l 锄i cp a r 踟c t e 塔o fm e f o r c e f b 鲫b a c k e l e c 仃o h y d r 觚l i c s e o - v a l v ea r eo p t i l l l i z c d ，锄dt l l e 0 p t i i i l i z c d p a r 锄e t e 塔a r cp r o v c dt oi n l p m v et l l es 咖- v a l v e ，sd f 眦i l i cp 曲珊a n c ew i m m a t l a bs n 缸，i n k n i s p m v e d b y m a t u 旧s d 小肿( 1 l l a t t i 坨o p t i n l i z e d w a y s i se f f b c t t l d u g l l t l l e c o m p 撇o fm eo p 缸i z e dp a 姗c t 铘o fq d ye l c c 仃o h 姗m l i cs c r v o v a l v e 晰t h b e 向m k e y w o r d s ：g u i ，s e n r o - v a l v e ，0 p t i m i z e ，s 小姗【 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：j l 垒i ! l 一一 泅年4 月歹日 指导教师签名：j 隧 叫年归l 一日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取碍的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其它己申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 似叼年牛月岁日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章绪论 电液伺服阀是在上世纪5 0 年代初为适应导弹和空间技术的需要而发展起来 的。因为伺服阀具有控制精度高，响应快，体积小，重量轻，运动平稳可靠，能 适应模拟量和数字量调制等优点，满足导弹和空间技术的特殊要求和特殊环境条 件需要，伺服阀应具有高性能，高可靠性，低功耗和体积小、重量轻等特点，所 以在航空航天电液伺服系统中得到了极广泛的应用，成为系统中的“心脏”，受 到特别的重视m 。目前，最具有代表性的伺服阀是喷嘴挡板式两级流量伺服阀， 而力反馈式电液伺服阀是喷嘴一挡板式两级流量伺服阀中应用广泛的电液伺服阀。 电液伺服阀是一种控制精度高，动态响应快的电一液转换组件，它建立了控 制器和液压动力部件之间的联系，从而构成了电液伺服系统。由于电液伺服阀是 液压系统的核心组件，是由电流控制流量和压力，它的性能会直接影响整个系统 的性能，故它应该有良好的稳定性和快速性。目前，普通中小流量的电液伺服阀 频宽多在1 0 0 h z ，大流量的伺服阀频宽还要低些，这样的指标已难满足快速电液 伺服系统的要求。此外像大型数字计算机记忆部分的存取装置、高频振动台、飞 行模拟转台以及高速压钢设备等也需要高频阀，虽然电反馈的小流量阀可达 5 0 0 h z ，但其结构复杂，可靠性低。所以有必要对电液伺服阀进行优化，以克服 其自身存在的缺陷，从而提高伺服阀的性能。 电液伺服阀的常规设计方法是，根据阀的静态特性设计出阀的结构参数，然 后通过实验，观察阀的动态特性，如果动态特性不能满足要求，就对某些参数进 行修正。传统方法在进行动态设计时，只是凭着经验改变某些参数，带有很大盲 目性，又由于阀的动态特性不是和阀的某一个参数有关系，而是和阀的参数的组 合有关系，所以电液伺服阀的设计过程较长。 电液伺服阀传统的手工设计方式已经无法满足现在的要求。计算机辅助设计 ( c a d c o m p u t 盯艇d e dd e s i 乒) 是利用计算机系统辅助设计人员进行产品和工程设 计，以实现最佳设计效果的一种技术。随着高科技产业的迅速发展，c a d 己成为 一门新的学科，它是现代设计方法的一个重要方面【2 l 。 优化设计是2 0 世纪5 0 年代迅速发展起来的一种现代设计方法，它应用近代 数学规划和电子计算机，能使一项设计在一定的技术和物质条件下寻求一个技术 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 经济指标最佳的设计方案，它使传统的机械设计方法产生重大变革，促进了现代 机械设计理论和方法的发展，获得显著的经济效益。同时优化设计又丰富了 c a d c j m 系统的资源库。 随着最优化技术和计算机技术的不断发展，优化设计为液压组件的设计提供 了一种重要的科学设计方法，使得在解决实际问题时，能从众多的方案中找到尽 可能完善的或最适宜的设计方案。 本课题来源于西工大与国内伺服阀生产厂家签署的协议，主要任务是对双喷 嘴挡板式力反馈式电液伺服阀计算机辅助设计，并在此基础上对力反馈式伺服阀 的动态性能进行优化 ，2 文献综述 1 2 1 电液伺服阀发展概况 电液伺服阀的发展是近5 0 年的事，早在第二次世界大战期间，在飞机上出现 了电液伺服系统。但在那种系统中，电液伺服阀是由一个伺服电机拖动，作为电 液转换器。由于伺服电机惯量大，使伺服阀成为控制回路中响应最慢的组件。直 到上世纪5 0 年代初，出现了快速反应的永磁力矩马达，才形成了电液伺服阀的雏 形。上世纪5 0 年代末，又出现了喷嘴一挡板阀作为第一级的伺服阀，进一步提高 了电液伺服阀的快速性。使电液伺服系统成为响应速度最快，控制精度最高的伺 服系统。上世纪6 0 年代中又出现了干式力矩马达，解决了油液中金属微粒被吸附 在磁隙中的难题，使得电液伺服阀性能趋于完善。 近年来，世界上许多技术先进国家根据不同的使用要求，相继扩展和完善了 一批通用系列产品。例如：美国摩格( m o o g ) 公司的3 0 q 5 和7 6 系列，美国泰克 司特朗( t c x 仃硼) 公司的 珏匕5 、2 6 系列，英国道蒂o 州y ) 公司的4 5 5 0 、4 5 5 3 系 列，日本东京精测的3 f 、4 f 系列，法国梭贝朗( s o p d e m ) 公司的6 2 0 6 巧5 0 1 系列 等产品，均己大量生产和使用。这些系列产品的规格较齐全，适应范围较广。 由于工程机械的发展及电液伺服系统应用领域的拓宽，对电液伺服阀提出了 更高的技术要求，如高压、大流量、抗干扰、抗油液污染、高频响、使用方便和 成本低廉等，而传统的电液伺服阀已经难以达到这些要求，因此新型电液伺服阀 的研制成为流体传动控制领域发展的一大难题。随着基于新型功能材料的转换器 的研制开发，机械制造、设计技术和微电子技术的发展，近期电液伺服阀的技术 进展主要体现在三个方面：新材料的应用、新型结构的设计开发和新的能量转换 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 方式的应用【2 l 。 ( 1 ) 新型材料在电液伺服阀上的应用 新型材料包括压电陶瓷( p z t ) 、超磁致伸缩材料( g 删) 、形状记忆合金( s 姒) 等，它们各自都具有优良的特性。其中压电陶瓷、超磁致伸缩材料具有工作频率 高、输出大的性能优点。形状记忆合金有独特的形状记忆效应。基于这些新型功 能材料的电液伺服阀可以提高电液伺服系统的整体性能，这已经为国内外研究所 证明。 ( 2 ) 电液伺服阀新型结构的开发 新型伺服阀结构既包括伺服电机、步进电机、新型力马达以及新型电磁铁等驱 动结构的创新，也包括喷嘴挡板、阀芯、阀套等新的结构设计，如四喷嘴挡板阀 的设计。为了满足伺服阀输出大功率的要求，出现了设计有四个喷嘴的电液伺服 阀，使得伺服阀结构设计更加新颖和精细。四喷嘴挡板式电液伺服阀的一个优点 是，在双挡板上可以补偿流体静力学中的反作用力，此阀的优点是可根据功率的 要求增大阀的比例。设计有平板轴挡板的四喷嘴挡板式电液伺服阀可输出较大的 功率，同时因为缩短了流体流经的路径从而提高了伺服阀的频宽p j 。新型伺服阀 结构如伺服电机、力马达等的采用并有效结合电机、永久磁铁、磁性材料等最新 技术，从结构上进行了巧妙设计，有效地提高了伺服阀的性能。新的驱动结构， 直接驱动式的结构都极大的提高了伺服阀的性能。 ( 3 ) 新的能量转换方式在伺服阀上的应用 新的能量转换方式，比如光液直接转换减少了中间环节，这种阀的最突出的优 势是彻底有效地解决了电磁干扰问题，光液直接转换代替光一电一液转换，省 略了中间转换环节，有效的节省了能源，是伺服阀技术的一个有意义的突破。 我国自6 0 年代中期开始设计研制、生产和使用伺服阀以来，发展非常迅速。 从军工开始，扩展到民用。先是从类似东京精测3 f 型伺服阀的结构形式入手。 由于这类伺服阀采用湿式力矩马达和组合式阀套结构，抗污染能力和稳定可靠性 差，所以不久后开始设计研制与美国摩格3 l 型相类似的干式力矩马达、整体阀套 结构的伺服阀。随着国内各部门对伺服阀的需求日益增长，研制和生产的单位也 不断增多。近年来国内研制生产的伺服阀品种规格日益增加，产品质量不断提高， 并已有一大批产品在各种军事装备和民用设施上长期使用h 】。 1 2 2 电液伺服阀优化目标 一般液压元件优化目标为提高效率、改善技术性能、控制噪声、实现功率匹 西北工业大学硕七学位论文第一章绪论 配、提高可靠性，降低成本等。其中改善技术性能为电液伺服阀的优化目标，即 提高伺服阀的频宽，改善伺服阀的稳定性。 ( 1 ) 提高效率 从节能的角度出发，希望液压组件有比较高的效率。液压组件的效率包括机 械效率和容积效率。合理的间隙设计是提高液压组件效率的重要手段之一。 ( 2 ) 改善技术性能 技术性能包括稳态性能和动态性能。稳态性能如组件的精度、刚度等。动态 性能如稳定性、快速性和抗干扰能力等。这是本论文研究的重点。 ( 3 ) 控制噪声 液压动力组件有时是整个机器的主要噪声源。噪声控制是液压组件高压化和 高速化必须解决的问题，是治理环境污染的需要。 ( 4 ) 实现功率匹配 对于多级液压组件，本身存在着功率匹配问题，就是要保证组件的输出功率 足以满足其负载的需求。 ( 5 ) 提高可靠性 通过改进设计，避免液压组件的早期失效，提高其可靠性和寿命。 ( 6 ) 降低成本 控制液压组件的体积和重量可以节约原材料，减小生产成本【5 】。 1 2 3 优化设计的方法 优化设计是根据最优化原理和方法，应用计算机技术，寻求最优设计参数的 一种新的设计方法。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，是现 代理论和方法的一个重要领域。 优化设计首先要根据工程需要将实际问题转化为数学模型，然后选择合理的 优化方法，通过计算机求得最优解。优化设计是根据具体要求和约束条件将优化 问题转化为数学模型，该数学模型通常由设计变量、目标函数和约束条件构成。 根据优化设计中所要确定的内容，液压组件的寻优问题可以分为参数优化和 函数优化两类。 ( 1 ) 参数优化 优化设计中所寻求的是一个或一组参数。如：对轴向柱塞泵的缸体进行优化 设计时，要确定缸体外径、缸体中心孔直径、缸孔长度、缸孔直径、柱塞数、吸 排油口面积等。 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 函数优化 优化设计中所寻求的是一个或一组函数。如：在讨论液压组件的动态优化问题 时，要确定最优控制信号，它是时间t 的函数。有时要寻求的是最优传递函数， 它是由时间函数经积分变换后得到的复变函数。 当函数的形式已经确定，只需寻求其中的某些系数时，函数优化问题也就蜕 化为参数优化问题【6 l 。伺服阀的优化设计即为参数优化问题。 伺服阀的优化设计是一个有约束的非线性优化问题，优化方法有很多种，下 面我们介绍两种有约束的优化方法：惩罚函数法和复合形法。 对于约束优化问题的处理可分为直接处理法和间接处理法 直接处理法的基本思想是每一次迭代产生新的迭代点都必须限制在可行域 内，一步一步地降低目标函数值，直至最后获得一个在可行域内的最优解。其迭 代过程中，每一次新的迭代点都要经过可行性和适用性条件的检验。复合形法即 属于直接法。 复合形法的基本思想是通过对复合形各顶点的函数值与比较，找出坏点，反 复进行坏点的映射与复合形的收缩，使之逐步逼近约束最优解。 间接法的基本思想是将约束优化问题通过一定形式的变换，转化为无约束优 化问题，然后采用无约束优化方法进行求解。惩罚函数法即属于间接法。 惩罚函数法适用于求解具有等式约束条件和不等式约束条件的优化问题。它 的基本思想是把一个有约束的问题转化为一系列无约束问题求解，逐步逼近于目 标函数的最优值。也称为序列无约束极小化方法。惩罚函数法是在原目标函数中 添加一些与约束函数相关的项，形成一个新的目标函数，即惩罚函数，以取代原 目标函数，然后用无约束优化方法求新目标函数的最优解”。 惩罚函数法和复合形法都可以应用于有约束的非线性优化问题，但通过复合 形法和惩罚函数法的比较，发现复合形法比较实用，而惩罚函数法比较复杂，但 通过m a t u 心优化工具箱可以很方便地进行优化，这两种适用于伺服阀的优化 设计。 伺服阀的优化设计过程中选取了两个目标函数，希望这两个目标函数都达到 优化的目的，因此就形成了多目标规划的问题，通过m a t l a b 优化工具箱就可 以实现多目标优化的问题，详细优化过程在第五章中介绍。 1 3 论文研究内容 本论文研究的主要内容对力反馈式电液伺服阀进行建模仿真计算，对其动态 西北工业大学硕七学位论文第一章绪论 性能进行优化。首先建立力反馈式电液伺服阀数学模型，在此基础上应用 m a t k 心s i m u l i n k 模块对模型进行仿真计算，分析阀的性能；然后根据力反馈式 电液伺服阀的静态特性，应用m a t u 心g ( g r a p l l i c a lu s c rh l t e r 缸e ，图形用户 接口) 模块，完成力反馈式电液伺服阀静态结构参数计算接口，实现力反馈式电液 伺服阀静态参数的计算机辅助设计，再结合经验则可以很大程度上缩短设计过程； 最后用优化算法对力反馈式电液伺服阀静态结构参数进行优化，从而提高力反馈 式电液伺服阀的动态性能，使之满足设计指标。 伺服阀设计优化的重点和难点是伺服阀的优化。伺服阀是很复杂的液压元件， 结构复杂，其模型具有高阶非线性，分析起来很困难，因此要分析影响伺服阀性 能的部分，在此基础上对伺服阀的模型进行简化。分析简化模型的性能，确定要 优化的性能指标，找出与简化模型性能密切相关的一组结构参数。因为优化方法 的好坏与优化结果密切相关，所以要在分析优化问题基础上选取合理的优化方法。 伺服阀的优化设计是一个有约束的多目标优化，选择惩罚函数法和多目标规划的 方法进行优化。优化的过程是，首先选取目标函数和优化参数，然后确立约束条 件和建立优化的数学模型，同时给参数赋初值，确定边界条件和设计权重，最后 就是对参数进行优化。把优化的结果带入伺服阀的高阶非线性模型中进行检验， 分析优化前后伺服阀动态性能指标的变化。 本论文研究共分为六章。第一章为绪论，介绍了研究内容与选题的意义。第 二章为电液伺服阀的结构原理特性，介绍了电液伺服阀分类，着重介绍了双喷嘴 挡板式电液伺服阀的组成与工作原理，以及包括静态特性、动态特性、电器特性 电液伺服阀的性能特点。第三章为双喷挡力反馈式电液伺服阀的建模仿真，建立 双喷嘴挡板式电液伺服阀的非线性数学模型，并根据实际情况对模型进行适当简 化；本章是双喷挡力反馈式电液伺服阀优化设计的基础。第四章双喷挡力反馈式 电液伺服阀静态设计，根据设计要求完成国产双喷嘴挡板式电液伺服阀静态参数 的设计计算，并用h i a t l a bg u i 完成了其静态参数设计计算的软件，实现双喷嘴挡 板式电液伺服阀静态参数的计算机辅助设计；本章为力反馈式电液伺服阀优化设 计的基础。第五章为力反馈式电液伺服阀动态参数优化，在阀的初步设计的基础 上，利用多目标优化设计方法，可以对影响力反馈式电液伺服阀性能的8 个重要 参数进行优化，从而在保证伺服阀稳定的前提下增加伺服阀的频宽，即提高伺服 阀的快速性；本章既是本文的重点，也是本文的难点。第六章为总结与展望，是 对本论文的总结，并对伺服阀发展的展望。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 第二章电液伺服阀的结构原理特性 2 1 电液伺服阀概述 电液控制系统主要由电子电气组件、电液伺服阀及液压执行组件组成，其中 电子电气组件作为系统的信号比较环节、信号放大环节、信号校正环节及信号检 测环节，电液伺服阀将输入的小功率电信号转换成液压信号，并放大为大功率的 液压能输给液压执行组件带动负载运动，如图2 1 所示。 图2 1 电液控制系统职能框图 电液伺服阀主要由三部分构成，如图2 2 所示。其中电气力或力矩转换器， 通常为力马达或力矩马达，它将输给伺服阀的电流信号转换成力或力矩；力或力 矩位移转换器，通常为弹簧或扭簧、弹簧管，它将力或力矩转换成挡板或阀芯的 位移，液压放大器，通常为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，一般前 置级液压放大器采用喷嘴挡板板式或射流管式，输出级液压放大器采用滑阀式， 进行功率放大【”。 图2 2 电液伺服阀基本结构图 2 2 电液伺服阀的分类 ( 1 ) 按液压放大器级数分类 可分为单级、二级、三级电液伺服阀。 单级电液伺服阀的优点是结构简单、价格低廉，缺点是使用流量受到限制。 过大的流量产生过大的液动力，因而造成推动滑阀的力马达或力矩马达设计困难。 7 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀 二作原理 另外，由于力矩马达的定位刚度低，对负载动态变化敏感，使阀的稳定性在很大 程度上依赖于负载特性。单级电液伺服阀一般适用于低压( 6 3 1 0 5 尸缸) 、小流 量( p 2 ，滑阀向右移动。滑阀的移动，通过回馈弹簧片又带动挡板和衔铁 反方向旋转( 逆时针) ，二喷嘴压力差又减小。在衔铁的原始平衡位置( 无信号时 的位置) 附近，力矩马达的电磁力矩、滑阀二端压差通过弹簧片作用于衔铁的力 矩以及喷嘴压力作用于挡板的力矩三者取得平衡，衔铁就不再运动。同时作用于 滑阀上的油压力与反馈弹簧变形力相互平衡，滑阀在离开零位一段距离的位置上 9 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 定位。这种依靠力矩平衡来决定滑阀位置的方式称为力反馈式。如果忽略喷嘴作 用于挡板上的力，则马达电磁力矩与滑阀二端不平衡压力所产生的力矩平衡，弹 簧片也只是受到电磁力矩的作用。因此其变形，也就是滑阀离开零位的距离和电 磁力矩成正比。同时由于力矩马达的电磁力矩和输入电流成正比，所以滑阀的位 移与输入的电流成正比，也就是通过滑阀的流量与输入电流成正比，并且电流的 极性决定液流的方向，这样便满足了对电液伺服阀的功能要求【l “。 1 永久磁铁2 一导磁体3 彳钉铁4 线圈5 一弹簧管6 - 喷嘴7 - 滑阀8 一固定节流孔 图2 3 双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀的工作原理 由于采用了力反馈，力矩马达基本上在零位附近工作，只要求其输出电磁力 矩与输入电流成正比( 不像位置反馈中要求力矩马达衔铁位移和输入电流成正 比) ，因此线性度易于达到。另外滑阀的位移量在电磁力矩一定的情况下，决定于 回馈弹簧的刚度，滑阀位移量便于调节，这给设计带来了方便。 采用了衔铁式力矩马达和喷嘴挡板使伺服阀结构极为紧凑，并且动特性好。 但这种伺服阀工艺要求高，造价高，对于油的过滤精度的要求也较高。所以这种 伺服阀适用于要求结构紧凑，动特性好的场合。 t 0 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀 作原理 力反馈式电液伺服阀的方框图如图2 4 所示。 图2 4 力反馈式伺服阀方框图 2 4 电液伺服阀的性能特点 2 4 ，1 静态特性 电液流量控制伺服阀的静态性能，可根据测试所得到的负载流量特性、空载 流量特性、压力特性和静耗流量特性等曲线和相应的参数加以评定。 ( 1 ) 负载流量特性( 压力流量特性) 伺服阀的负载流量曲线表示在稳定状态下，输入电流、负载流量和负载压降 三者之问的数关系，如图2 5 所示。流量控制伺服阀功率滑阀的位移与输入电流 近似成比例关系，所以负载流量曲线的形状与功率滑阀的负载流量曲线的形状近 似相同。 、 咫强蜘 、 氩磊le 量alv i f 邡 筒定；e 量a 1 、 心t 口 拦二 忒 2 0 n ， 、 ，l 一 、 逋 。、 一胁- 一一锄02 0 帅咖 蕙 - o 儿 责j甓压：，p t 口2 一加 缸趋压；， e 1 0 i _ 、hr 、 、( 、 一0 1 一 b 。 一苌油 一帅 一 n “。 - 阳 - t 0 p 、 图2 5 伺服阀的流量一压力曲线 t l 西北工业大学硕士学伊论文第二章双喷嘴挡板式力同馈式两级电液伺服阀工作原理 负载流量曲线完全描述了伺服阀的静态特性。但要测得这组曲线却相当麻烦， 特别是在零位附近很难测出精确的数值，而伺服阀却正好是在此处工作的。因此， 这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的 负载流量和负载压力相匹配。 ( 2 ) 空载流量特性 空载流量曲线( 简称流量曲线) 是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线，见 图2 6 。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、 负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整的循环所描绘 出来的连续曲线。也可以采用逐点描绘的方法作出流量曲线。 图2 6 流量曲线、额定流量、零偏、滞环 由流量曲线可以得出以下参数：额定流量，流量增益，滞环，非线性度，不 对称度，分辨率等。 1 ) 额定流量 阀的额定流量是在额定电流和规定的阀压降下所测得的流量。通常，在空载 条件下规定伺服阀的额定流量。这样可以采用更精确和更经济的试验方法。 在流量曲线上对应于额定电流的输出流量就是额定流量。额定流量的公差一 般规定为土1 0 额定流量表明了伺服阀的规格，可用来选择伺服阀。 2 ) 流量增益 流量曲线回环的中点轨迹线称为名义流量曲线，见图2 6 ，它是无滞环流量曲 线。由于伺服阀的滞环通常很小，因此可把流量曲线的一侧当作名义流量曲线使 1 2 西北工业大学硕士学位论文 第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 用。 流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点或区段的流量增益。从名义流量 曲线的零流量点向两极各作一条与名义流量曲线偏差为最小的直线，这就是名义 流量增益线，见图2 7 。两个极性的名义流量增益线斜率的平均值就是名义流量 增益。 伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。流量增益以m 2 ( s a ) 表示。 图2 7 名义流最增益、非线性度、不对称度 3 ) 非线性度 非线性度表示流量曲线的不直线性。它是名义流量曲线与名义流量增益线的 最大电流量偏差，以额定电流的百分比表示，见图2 7 。非线性度通常小于7 5 。 4 ) 不对称度 不对称度表示两个极性的名义流量增益的不一致性。用两者之差对其中较大 者的百分比表示，见图2 7 。通常不对称度小于1 0 。 5 ) 滞环 图2 6 表明伺服阀的流量曲线呈回环状，这是由子力矩马达磁路的磁滞现象 和伺服阀中的游隙所造成的。磁滞同环的宽度直接随输入信号的幅度大小而变化， 当输入信号减小时，磁滞回环的宽度将收缩。 西北工业大学硕士学位论文 第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀t 作原理 伺服阀的滞环规定为输入电流缓慢地在正、负额定电流之间作一个循环时， 产生相同输出流量的两个输入电六的最大差值与额定电流的百分比，见图2 6 。 伺服阀的滞环一般小于5 ，对高性能伺服阀小于3 。 6 ) 分辨率 为使伺服阀的输出流量发生变化所需的输入电流的最小变化值与额定电流的 百分比，称为伺服阀的分辨率( 不灵敏度) 。换言之，当输入电流的变化值小于伺 服阀的分辨率时，其输出流量不变。通常分辨率规定为从输出流量的增加状态回 复到输出流量减小状态所需之电流最小变化值与额定电流之比，见图2 8 伺服阀 的分辨率一般小于1 ，对高性能伺服阀小于o 5 【s 】。 列i m 孔 图2 - 8 伺服阀的分辨率 ( 3 ) 零区特性 流量控制伺服阀，往往有三个明显的工作区域：零位区域、名义流量控制区 域和流量饱和区域，见图2 9 。 在流量饱和区域，流量增益随输入电流增加而减小，最终输出流量不再随输 入电流增加而增加。这个最大流量称为流量极限。 伺服阀的零位是指空载流量为零的状态( 位置) 。零位区域是输出级的重迭对 流量增益起主要的区域。因为伺服阀经常在零位区域工作，所以零区特性特别重 要。 1 ) 重迭 重迭是阀在零位时阀芯与阀套( 阀体) 的控制边在相对运动方向的重合量，用两 极名义流量曲线近似直线部分的延长线与零流量线相交的总间隔与额定电流的百 分比表示。见图2 1 0 。 伺服阀的重迭分为三种情况，即零重迭( 零开口) 、正重迭( 负开口) 和负重迭( 正 1 4 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 口，t 置k 1 ) 庐 触拉聃压 _ _ 图2 - 9 伺服阀的工作区域 - 毒 a ) 零开口b ) 负开口c ) 正开口 图2 1 0 伺服阀的重迭 开口) 。伺服阀开口型式不同，其零区特性也不同。 2 ) 零位偏移( 零偏) 伺服阀由于组成组件的结构尺寸、电磁性能、水力特性和装配等方面的影响， 在输入电流为零时输出流量并不为零，对了使输出流量为零，必须预加一个输入 电流。使阀处于零位所需的输入电流值与额定电流的百分比，称为伺服阀的零偏， 见图2 6 。伺服阀的零偏通常小于3 。 3 ) 零位漂移( 零漂) t 5 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 电液伺服阀的调试工作是在标准试验条件下进行的，当工作条件和环境条件发 生变化时，就要引起零位的变化，称为伺服阀的零漂，以额定电流的百分比表示。 在一般情况下，引起零漂的原因有供油压力、回油压力、油液温度和零值电流 等参数的变化，针对这些参数变化的范围，可以规定出所允许的最大零漂。 如果另外一些环境条件对系统性能有决定性作用，还可以针对这些环境条件对 零漂作出相应规定。 供油压力零漂供油压力在7 l o o 额定工作压力范围内变化时，零漂小于 2 。 回油压力零漂回油压力在o 心o 额定工作压力范围内变化时，零漂水于 2 。 温度零漂工作油液温度每变化4 0 时，零漂小于2 。 零值电流零漂零值电流在肌1 0 0 额定电流范围内变化时，零漂应小于 2 。 ( 4 ) 压力特性 压力特性曲线是输出流量为零( 将两个负载口堵死) 时，负载压降与输入电流呈 回环状的函数曲线。见图2 1 1 。负载压力对输入电流的变化率就是压力增益，以 p “a 表示。阀的压力增益通常规定为最大负载压降的土4 0 之间，负载压降对输 入电流曲线的平均斜率。见图2 1 1 。压力增益指标为输入1 的额定电流时，负 载压降应超过3 0 的额定工作压力嗍。 ， ，i 詹缀 如4 t。 t ，力 fl f k 引h 4 图2 1 1 压力特性曲线 1 6 翌苎三些奎兰堡圭兰竺堡兰芝三兰翌兰塑丝堡塞之垦堡茎要丝皇鎏釜墅望三竺堡矍 - l - l _ l _ e i - _ l e 目_ e = i l l _ i - _ l l _ _ - _ i i e = = = j _ 2 2 2 。5 。一 ( 5 ) 耗流量特性( 内部泄漏特性) 静耗流量是输出流量为零时，由回油口流出的内部泄漏流量，以m 堍表示。 静耗流量随输入电流而变化，当阀处于零位时( 零位静耗流量) 为最大。见图2 - 1 2 。 口，1 - r 。】 c q f + q 一 盯 。 i 扣 a i ，x 图2 1 2 静耗流量 阀的最大静耗流量应加以限制，以免功率损失过大。通常要求最大静耗流量 小于额定流量的1 0 。 对两级伺服阀而言，静耗流量由前置级的泄漏流量q p o 和输出级的泄漏流量 q l 组成。一般来说，前置级的泄漏流量可以减小，但是以牺牲响应速度为代价。 滑阀的泄漏流量随重迭情况变化颇大。较大的重迭可以减小泄漏，但要使阀产生 死区，并使阀更容易淤塞，从而使阀的滞环和分辨率增大。滑阀零位泄漏流量q o 与供油压力p l 之比可用来作对滑阀的流量压力系数。零位泄漏流量对新阎可作 为滑阀制造质量指针，对旧阕可反映其磨损情况伟1 。 2 4 2 动态特性 电液伺服阀的动态特性可用频率响应或瞬态响应表示。 ( 1 ) 频率响应 电液伺服阀的频率响应是输入电流在某一频率范围内作等担变频正弦变化 时，空载流量与输入电流的复数比。频率响应用幅值比( d b ) 和相位滞后( 。) 与频率 的关系表示。见图2 - 1 3 。 幅值比是某一特定频率下的输出流量幅值与输入电流幅值之比，除以一指定 低频( 输入电流基准频率，通常为5 或1 0 hz ) 下的输出流量与同样输入电流幅值之 比。 t 7 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 相位滞后是在某一指定频率之下所测得的输入电流和与其相对应的输出流量 变化之间的相位差。 应当指出，伺服阀的频率响应随油温、供油压力、输入电流幅值和其它一些 工作条件而变化。作动态试验时，推荐输入电流的峰峰值为额定电流的一半( 土 2 5 额定电流) ，基准频率通常为5 或1 0 h z 。如果输入电流幅度过大，所测得的伺 服阀频率响应，在高频时由于力矩马达和中间级输出的限制，将出现饱和。输入 电流幅值过小时，由于伺服阀分辨率的影响，将使波形产生畸变。无论哪一种情 况，由于输出波形偏离正弦波形，都会使所得到的响应数据失去意义。 ( 2 ) 频宽 伺服阀的频宽通常以幅位比为3 d b ( 即输出流最为基准频率时输出流量的 7 0 7 ) 时的频率区间作为幅频宽。以相位滞后9 0 。时的频率区间作为相频宽。见 图2 1 3 。 频宽是伺服阀动态响应速度的度量。伺服阀的频宽应根据系统实际需要加以 确定，频宽过低会限制系统的响应速度，过高会使高频干扰传到负载上去。 伺服阀的幅值比一般不允许大于+ 2d b 。 口 鼍 蕾 暮 斑 孓s l访必 、! 、 、1 、 一、 、-、i 翕梅弼 l1 、 l l 壬6 ，： f ， ， j ， ，、 ， ， ， r， ，lj ， 51；，广 ， 式。，义j j 一 一一一 ， 仍 一 _ e三势 ， ， 橱埤角 - 一 彳1 图2 1 3 频率响应、幅频宽、相频宽 o o 产 o ； 扣 尽 霉 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 2 4 3 输入特性( 电气特性) ( 1 ) 额定电流 伺服阀的额定电流是为产生额定流量，线圈任一极性所规定的输入电流，以 a 表示。 伺服阀有两个线圈，额定电流与线圈连接形式有关，总的是满足安匝数的要 求。零偏电流不包括在额定电流内。如果阀的额定电流值很低，相应地要求采用 极细的导线；对保证安匝数的要求，线圈匝数就多。因此，线圈直流电阻和电感 值比较大。采用极细导线对阀的可靠性是非常不利的，所以应尽可能避免。 ( 2 ) 线圈接法 伺服阀的两个线圈，可根据需要采用图2 1 4 中任何一种接法。接法介绍如下 单线圈接法，输入电阻等子单线圈电阻r ，线圈电流等于额定电流i r ，电 控功率p = ，：月。单线圈接法可以减小电感的影响。 双线圈单独接法，一只线圈接输入，另一只线圈可用来调偏、接回馈或引 入颤振信号。单线圈接法或双线圈单独接法适合以模拟计算机作为电控部 分的情况。 差动接法，差动电流等于额定电流，或等于两倍的信号电流，零值电流大 于或等于额定电流之半。电控功率尸= ，：r 。差动接法的特点是不易受电 子放大器和电源电压变动的影响。 串联接法，输入电阻为单线圈电阻r 的两倍，额定电流为单线圈时的一 半，电控功率p = ，：r 2 。串联接法的特点是额定电流和电控功率小，但 易受电源电压变动的影响。 并联接法，输入电阻为单线圈电阻r 的一半，额定电流等于单线囤接法 时的额定电流，电控功率p = ，：r 2 。并联接法的特点是工作可靠性高， 一只线圈坏了也可以工作，但易受电源电压变动的影响。 陆。阳船图鹇 - - j 西帕 a ) 单线圈 ”单独使用两个线圈c ) 双线圈串接d ) 双线圈并接e ) 双线圈差接 图2 1 4 伺服阀线圈的接法 1 9 西北工业大学硕士学位论文第二章双喷嘴挡板式力回馈式两级电液伺服阀工作原理 ( 3 ) 颤振 为了降低系统的分辨率，可以在伺服阀的输入信号上迭加一个高频低幅值的 电信号。颤振信号以颤振频率和颤振电流的峰峰值表示。 颤振使伺服阀处在一个高频低幅值的运动状态之中，这可以减小或消除伺服 阀中由于摩擦所产生的游隙。同时还可以防止阀的堵塞。但颤振不能减小力矩马 达磁路所产生的磁滞影响。 颤振的频率和幅度对其所起的作用都有影响。颤振频率应大大超过预计的信 号频率( 一般为伺服阀频宽的2 3 倍) ，而不应当与伺服阀或执行组件和负载的谐 振频率相重合。因为这类谐振的激励可能引起疲劳破坏或者使所含组件饱和。由 于力矩马达中的衰减，较高的频率就要求有较大的幅度。颤振幅度应足够大以使 其峰问值刚好填满游隙宽度，这相当于主阀芯运动约2 5 朋l 左右。颤振幅度又不 应过大，以致通过伺服阀传到负载，可能使拖动系统中的液压马达、齿轮以及其 它机械组件过度磨很或疲劳破坏。颤振信号的波形采用正弦波、三角波或方波， 其效果是相同的( 8 l 。 西北工业大学硕士学位论文第三章双喷挡力反馈伺服阀的建模 第三章双喷挡力反馈伺服阀的建模 本章主要是对双喷挡力反馈式电液伺服阀的建模，这是对系统进行静态设计 和动态设计的基础。下面将详细介绍此类型伺服阀的建模。 3 1 力矩马达模型 力矩马达的型式很多，本文主要研究极化永磁式力矩马达，本章主要是对双 喷挡力反馈式电液伺服阀的建模。 力矩马达的电磁力矩方程为： l ：竺竺塑竺：兰坐竖!仔。， 【l 一( 勺2 】2 由式( 3 1 ) 可见，输入差动电流f 后在衔铁上所引起的电磁力矩乃，既与 输入电流出有关，又和角位移口有关，而且还和工2 及：有关。 虽然乃与出和口之间是非线性关系但是由于设计时要求( 叫，) 2 “l 和 o 。o ? 1 ，所以 r ；竺丝塑竺：竺塑：望竺净。， = j 二一 【3 2 ) 【l 一( ；) 2