（机械工程专业论文）新型工程机械液压平衡阀的设计与试验研究.pdf

勃：勃刎l 箜郴揪掖压、獭融删乡研旌彤 荔丛，枷扬2 理 摘要 液压平衡阀是一种重要的液压元件，在现代工程机械中特别是起重机械 应用广泛。平衡阀具有限速与安全的作用，能使液压机械动作平稳。但传统 的平衡阀存在着不少缺点，如低频振动、控制压力偏高、工作平稳性和安全 性较差、结构较复杂等，关键问题是在双杠变幅等回路中，既不能单独应用， 又不能实现双缸同步运行。本新型平衡阀就是为解决上述平衡阀的缺点，特 别是为双缸变幅回路的应用而提出来的。本文在对新型液压平衡阀的工作原 理、使用性能和结构特征的分析研究的基础上，建立了一个比较符合实际的， 能反映该平衡阀动态特征的非线性数学模型，得到了试验验证，对新型液压 平衡阀进行结构设计与试制，并进行了出厂试验、型式试验和实车试验，对 新型平衡阀、原平衡阀二者的性能和仿真值与试验值分别进行了比较和分 析。结果表明，该新型平衡阀在工作平稳性、控制压力以及双缸同步性等方 面明显优于原阀。 总之，该新型液压平衡阀的综合性能相对原阀有明显的提高，是一个优 良的新产品，具有很大的推广价值。 关键词：新型液压卓裔阀仿真设计分析试验研究 i + a b s t r a c t h y d r a u l i cc o u n t e r - b a l a n c ev a l v e i sas o r to f i m p o r t a n t h y d r a u l i cc o m p o n e n t s i ti s w i d e l y u s e di nm o d e m e n g i n e e r i n gm a c h i n e ，e s p e c i a l l yc r a n e t h eb a l a n c ev a l u eh a s t h ef u n c t i o no f l i m i t i n gv e l o c i t ya n dg u a r a n t e e i n gs a f e t y , a n dc a nm a k e t h ea c t i o no f h y a r a u l i cm a c h i n ec a l m b u tt h e r ea r es o m ed e f a u l t si nc o n v e n t i o n a lb a l a n c ev a l u e s ， s u c ha sl o w f r e q u e n c yv i b r a t i o n ，e x c e s s i v eh i g hc o n t r o l l i n g p r e s s u r e ，d i s a d v a n t a g ei n s t a b i l i t ya n ds a f e t y , c o m p l i c a t e dc o n s t r u c te t c ，t h ek e ym a t t e r sa r et h a tt h ev a l v e s n e i t h e rw o r k s o l e l y n o rr u n s y n c h r o n o u s l y i nt w o c y l i n d e r s t h en e w s t y l e c o u n t e r - b a l a n c ev a l v ei s p r e s e n t e d t or e s o l v et h ea b o v ed e f a u l t s ，e s p e c i a l l yt h e a p p l i c a t i o no f t h ec i r c u i ti nt w oc y l i n d e r s i nt h et h e s i s ，an o n l i n e a rm a t h e m a t i c a l m o d e lt h a ti sp r a c t i c a la n dc a nr e s p o n s et h ed y n a m i cc h a r a c t e ri sb u i l to nt h eb a s i so f a n a l y z i n gw o r k i n gp r i n c i p l ee m p l o y i n gp e r f o r m a n c e a n ds t r u c t u r et r a i to f t h en e w t y p e c o u n t e r - b a l a n c ev a l v e ，a n dt h em o d e li sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s t h en e wv a l v e s t r u c t u r ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h e n ，m a n ye x p e r i m e n t sa b o u tt h ev a l u ea r e m a d e ，s u c ha st y p ee x p e r i m e n t ，r e a lv e h i c l ee x p e r i m e n te t c t h es i m u l a t i n gv a l u ea n d e x p e r i m e n t a lv a l u ea r e a l lc o m p a r e d t h er e s u l t se x p r e s s e st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e n e wv a l u ei sb e t t e rc o m p a r i n gw i t ht h eo l do n e ，e s p e c i a l l yi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： w o r k i n gs t a b i l i t y , c o n t r o l l i n gp r e s s u r e ，a n ds y n c h r o n i z a t i o n i naw o r d ，t h eg e n e r a l c a p a b i l i t yo ft h en e w s t y l eh y d r a u l i c c o u n t e r - b a l a n c e c o m p a r i n g w i t ht h eo l do n ei sb e t t e re v i d e n t l y t h ev a l ei sa ne x c e l l e n tn e wp r o d u c t i o n ， a n di sw o r t h s p r e a d i n g k e y w o r d s ：e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y m a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i o n d e s i g n 2 n e w t y p e c o u n t e r - b a l a n c ev a l v e e x p e r i m e n ts t u d y 第一章绪论 1 1 液压平衡阀的发展现状 随着国民经济以及基础建设的飞速发展，工程机械在公路、铁道、港1 3 码头、 矿山建设以及工业与民用建筑中获得了极为广泛的应用。各行各业对工程机械的 需求量越来越大，同时对吨位和质量的要求也越来越高。例如工程用起重机，国 内最大吨位的一般在5 0 吨左右，要想上到5 0 吨甚至1 0 0 吨以上，困难重重，其 中一个关键部件，特别是双缸变幅机构中用的液压部件一液压平衡阀是最大难点 之一。“因为带载下降的许多液压机械设备，它必需要有一个能控制其带载下 降时的平衡与安全装置，例如在工程起重机上就把这个控制液压部件称液压平衡 阀。而且当所带载荷越大时，其意义就越大，越重要。实际上我国现有平衡阀不 仅在大吨位起重机上不能保证性能要求，更不能满足大吨位机械双缸变幅的应 用。实践经验表明液压平衡阀对工程机械工作的平稳性、可靠性和系统效率具有 重要的影响。然而目前国内的现有平衡阀又多属仿制产品，但国产平衡阀普遍存 在着低频抖动、控制压力偏高、工作平稳性、安全性较差、双缸不能同步、结构 较复杂等问题。“”常见的液压平衡阀有单级式和先导式两种。单级式平衡阀中 的单向阀( 用于起升) 和主阀( 用于下降) 的相互位置为并列式，其特点是稳定 性好，支撑可靠，但在快速换向或带负载变幅下降时，仍有低频振动( 俗称点头 号) 现象，此外这一类平衡阀控制压力偏高，结构较复杂。典型产品有北京起重 机厂生产的x d 。f 型平衡阀和哈尔滨工程机械厂生产的h g b 2 2 9 型平衡阀及徐州工 程机械厂生产的“徐重阀”等。而先导式平衡阀则为套装式，其特点是单向阀和 主阀实行嵌套，结构紧凑，并且采用了主从结构，使主阀始终跟随先导阀芯，其 上的液动力不会对控制活塞上的输入信号产生干扰，同时也使其控制压力得到了 有效的降低，从而提高了平衡阀的灵敏度和经济性。典型产品有日本东京计器生 产的b l g 型平衡阀，德国生产的f d 型平衡阀以及国内长沙工程机械液压厂生产 的p h y g 2 0 lb 型平衡阀等。”1 国内平衡阀独立研究应用较少，大多是六十、七十年代仿国外产品。如汽车 起重机上已经应用了近二十年的x d 。f 型平衡阀是仿美国的产品。国内有关院校和 研究单位对平衡阀进行过理论和实验研究，但一直未能研制出适应国内工程机械 液压系统的性能优良的平衡阀。目前国内最新生产的平衡阀为p h y g 2 0 l b 型平 衡阀。”姗 本课题的新型液压平衡阀主要是在参考了以上国内外各种平衡阀应用特点 之后，为适应目前国内外没有但又急需的发展大吨位起重机双缸变幅、升降液压 机械而提出来的，其工程价值、社会及经济意义均十分重大。1 1 2 本文主要研究内容 1 2 1 新型液压平衡阀动态特性及计算机仿真系统的开发 12 1 1 新型液压平衡阀的结构、工作原理及使用性能 新型液压平衡阀由四阀一体所构成，即两个保持阀、控制阀和单向阎、阀体。 控制阀和单向阀同轴布置，处于平衡阀阀体的中心线上，且两个保持阀相对于主 阀芯和导控阀芯的中心线呈对称分布。该阀具有结构简单、安装容易、易于维护。 该阀具有以下性能：解决了斜拉问题；有良好的安全性；有优良的动、静态特性。 1 2 1 2 动态特性的建模 动态特性的建模主要以系统的稳定性和过渡过程的主要品质指标来加以评 定的。根椐新型液压平衡阀的结构及原理图，可以列出描述该阀动态特性的微分 方程，各微分方程经过拉氏及反拉氏变换得出时域方程，建立新型液压平衡阀的 动态数学模型，便于仿真。 1 21 3 计算机仿真系统的开发及仿真分析 计算机仿真系统采用消息驱动机制和可视化编程技术( o o p ) ，以及v i s u a l c + + 5 0 作为开发平台，主要通过v i s u a lc + + 5 0 的基础类( m f c ) 中的文档视图 类( d o c u m e n t v i e wc l a s s ) 所独立开发出来的计算机仿真系统，通过仿真，可 以分析出如下结论： 1 、新型液压平衡阀的控制压力、负载压力以及油缸速度等变量的动态性能 变好，减小了油缸低频抖动的程度： 2 、变幅系统中的溢流阀开启压力对平衡阀的稳定性影响较大，在起重机变 幅下降时，可以适当减小溢流阀的开启压力，以改善整个系统的动态性能； 3 、由于平衡阀的主阀弹簧刚度对整个系统的稳定性影响不大，可以对弹簧 的质量要求放低，另为了提高平衡阀系统的静态性能，在保证平衡阀阀芯闭 合性的前提下，可以适当降低主阀弹簧刚度； 4 、平衡阀中所加开的阻尼孔对平衡阀的动态特性影响较大，可以提高加工 精度来改善平衡阀的动态特性； 5 、增大控制阀芯的大端直径，保证液压油缸活塞具有一定的初始位移也会 提高平衡阀的动态特性。 2 1 2 2 新型液压平衡阀的设计 本研究主要对新型液压平衡阀进行了整体设计、主阀设计、先导阀的设计、 控制阀芯的设计、保持阀的设计、平衡阀各节流口的设计及各阻尼孔的设计，设 计主要从理论分析、结构设计等方面作要求。 1 2 3 新型液压平衡阀试验研究及数据分析处理 为了测试新型液压平衡阀的性能特性，在邵阳液压件厂做了试验和型式试 验，在长沙浦沅工程机械厂做了实车试验。我进行了相应的试验方案设计、试验 设备的选用，并用m a t l a b 进行数据分析与处理。通过出厂试验和型式试验， 平衡阀基本达到设计要求。通过实车试验，可得知在压力损失方面原阀与新阀相 差无几，但新阀的控制压力较原阀低，这使得新阀具有更好的经济性，而且其控 制压力的变化也较小，这样新阀在无杆腔压力变化时流量变化较小，从而抗干扰 能力较强；在同步性方面，新阀既具有刚性同步，又有液压同步作用；在稳定方 面，特别是在重载、大流量时新阀的效果好；另外，新阀的闭锁性可靠，无泄漏 现象。另外通过对仿真试验与实车试验比较分析，可得知仿真曲线与实车试验曲 线的波形基本相似，峰值、超调量基本吻合。 第二章新型液压平衡阀动态特性及计算机 仿真系统的开发 2 1 新型液压平衡阀的结构、工作原理及使用性能 2 1 1 平衡阀的基本工作原理 液压平衡阀是工程机械液压系统重要元件之一，是使用较多的一种控制阀， 它对改善工程机械使用性能起着不可忽视的作用，同时对工程机械整机性能( 工 作平稳性、可靠性和系统效率) 也有着重要的影响。例如液压起重机的起升机构、 变幅机构以及伸缩机构在带载下降时，若无平衡阀，机构就会在负载的作用下产 生超速下降、无法控制、出现危险现象等。带载越大，这种危险也就越大。同样， 在全液压行走系统中( 开式系统) ，在下坡中也会产生超速下滑的危险，因此也 需要使用平衡阀。为了防止危险，实现带载下降的能控、微动、平衡及安全，就 需要在下降的回路中安装一个既能限制负载下降速度，又可实现微调及任意可控 在空间某一高度上停止而没有一丝下移( 或下滑) 的多功能控制阀。具有上述功 能的阀就称为平衡阀( 有的也称为限速阀) 。1 图2 - 1 所示的平衡阀工作原理图为日常多见的单液压缸执行机构液压系统所 示的工作回路。 d 图2 - 1 单液压缸执行机构液压回路平衡阀工作原理图 1 、液压油泵2 、溢流阀3 、手动换向阀4 、平衡阀( 限速阀) 5 、液压油缸6 、重物 目前工程机械使用的液压平衡阀，从结构上分有锥阀式、滑阀式和组合式三 种，从油的流向看分顺流式和倒流式两种。“”锥阀式虽易堵塞但密封性好，几乎 4 无泄漏，具有“锁”的作用等：滑阀式不易堵塞，低速微动性好，但无“锁”的 作用，重物易自动下降等：组合式是前两者的组合，既有“锁”的作用，又能进 行微调，只是结构复杂些等。已在我国沿用至今的北京起重机厂引进的平衡阀( 又 称北起阀) x d 。f 型等阀，就是组合式阀。下面对x d 。f 阀作一工作原理介绍。“” x d 。f 型平衡阀结构原理图如图2 2 所示： 图2 - 2x d f 型平衡阀的结构原理 1 、主阀芯2 、控制阀芯3 、单向阀4 、主阀单向阀5 、a 、b 、d 、e 、f 均为小阻尼孔 它由主阀芯1 、控制阀芯2 、单向阀3 以及单向阻尼阀4 等组成，其工作原 理为：重物下降时控制压力接c 腔，控制阀芯2 将主阀芯1 打开，执行元件的回 油从b 口经d 、e ，从a 口排出，按控制油压力的大小控制了主阀芯的开启程度， 进而控制了液压缸回油的速度，即限制了液压缸负载下降时的速度。反向流动时， 从a 口进来的液压油直接顶开单向阀进入执行元件，主阀芯在d 处作成带槽的， 使流量变化缓和；连接阀芯1 、2 前后腔的小孔a 及小孔b 、e 、f 的作用是增 加阻尼，减缓对压力波动的反应，防止振动。小孔d 的作用是在平衡阀刚刚开启 时减小阻尼，改善阀的快速反应性能。单向阀4 的作用：当压力油从a 口进入时， 阀4 被打开，在主阀大端的油压力的作用下，主阀芯和控制阀芯被紧紧锁住。此 阀还能起液压锁的作用：当换向阀中位工作时，液压泵的油直接流回油箱，控制 阀芯大端没有油压，主阀芯在弹簧力的作用下关闭，执行元件的回油被锁住，因 此，液压缸不能运动。“ 该阀的静、动态特性分析表明：x d 。f 型平衡阀稳定性较好，支撑可靠，但其 控制压力偏高，在快速换向或负载变幅下降时，有严重的低频抖动现象，特别是 大吨位起重机在双液压缸变幅回路工作时，此平衡阀不能满足结构及同步的需 要。 2 1 2 新型液压平衡阀的工作原理及创新思维过程 随着工程建设的日益发展，大吨位( 几十吨以上) 的液压工程机械 图2 - 3新型液压平衡阀的结构原理图 1 、螺栓；2 、垫圈；3 、端盖；4 、0 形密封圈；5 、保持阀芯；6 、内六角螺栓；7 、组 合垫圈；8 、弹簧；9 、0 形密封圈；1 0 、螺栓；1 1 、弹簧垫圈；12 、端盖；13 、螺栓；1 4 、 螺母；1 5 、弹簧座；16 、0 形密封圈；17 、阻尼块；1 8 、螺栓；1 9 、垫圈；2 0 、端盖：2 1 、0 形密封圈；2 2 、弹簧；2 3 、弹簧；2 4 、阀体；2 5 、先导阀芯；2 6 、单向阀；2 7 、阀座；2 8 、 弹簧：2 9 、0 形密封圈；3 0 、导控阀芯；3 1 、端盖：3 2 、螺栓；3 3 、垫圈 单缸机构( 如变幅机构) 及其液压工作回路已经不能满足需要，必须有类似如下 的双缸机构及其液压工作回路进行工作，图2 4 所示即为双缸机构及其液压回路 工作原理图。“” 新型液压平衡阀的结构原理图如图2 3 所示。 新型液压平衡阀基本上由控制阀、主阀及两个保持阀四阀一体构成。控制阀 ( 导控阀) 和单向阀( 主阀) 同轴布置，处于平衡阀阀体的中心线上，而两个保 持阀相对于主阀芯和导控阀芯的中心线呈对称分布。从图2 1 所示的结构图可以 看出，各阀相互之间相对独立，且都可制作成插装形式。因而新型液压平衡阀结 构简单、安装容易、易于维护。 图2 4 双缸机构液压回路平衡闪工作原理图 1 、液压油泵2 ，溢流阀3 、换向阀4 、平衡阀( 限速阔) 5 、俐寺阀6 、液压油缸7 、重物 图2 - 4 与图2 1 不同的是：双缸为了进一步保证安全、同步运作，在各缸壁 上均增设了一个保持阀，否则双缸工作也保证不了安全及同步的要求。在该回路 中，在平衡阀上设置两个液动两位两通阀，即保持阀，它们主要有以下几点作用： 1 、在液压油缸伸缩时，使其动作平稳； 2 、在管路破裂时，起安全保护作用； 3 、起两变幅液压缸的同步作用。 但是，这种回路也存在几个缺点： 1 、由于增加了两个保持阀，使回路增加了控制阀数： 2 、在平衡阀和保持阀间由于有油管和管接头，可能导致油管破裂和管接头 泄露，并且增加了沿程压力损失。 如果在图2 5 的基础上，将二个保持阀与平衡阀做成一体，即将三个单阀组 合成一个集成阀，将对液压系统带来集成的优点，使用起来也更简单、更安全。 这个集成起来的新阀，即是本课题研究的新型液压平衡阀。图2 - 6 所示为新型液 压平衡阀工作原理图。“” 图2 - 5 新型液压平衡阀工作原理图 l 、液压油泵2 、溢流阀3 、换向阀4 、新型组合式平衡阀5 、液压油缸6 、重物 2 1 3 新型液压平衡阀的主要三种工况 2 1 3 1 双缸举重起升工况 如图2 5 所示，当换向阀3 处于右位工作状态时，液压油泵1 从油箱吸油， 然后到达平衡阀主阀，顶开单向阀，然后到达保持阀，通过保持阀，最后液压油 到达液压缸大腔，推动油缸活塞外移，共同提升重物。 2 1 3 2 负载下降工况 当换向阀处于左位工作状态时，一部分液压油直接到达液压油缸的上腔，另 一部分液压油则到达平衡阀控制阀芯腔，推开控制阀芯，液压油缸下腔的液压油 则经保持阀，平衡阀流回油箱。当重物超速下降时，造成液压缸上腔进油路供油 不足，压力降低，从而也使控制阀芯的液压油控制压力降低，在阀内弹簧力的作 用下，回油开口减小，回油阻力加大，负载下降速度变慢，然后液压缸上腔和控 8 制阀芯持续进油，油压增大，控制阀芯移动，使主回油口又开大，减小回油阻力， 负载下降速度又加快。这样使主阀芯、控制阀芯和控制压力之间达到了一种动态 的平衡，重物不至于失速，减缓了工程机械中常见的点头现象。 2 1 3 3 负载空中静止工况 当换向阀处于中位时，控制阀芯在弹簧力的作用下处于关闭状况，液压油缸 下腔的液压油被主阀芯( 单向阀) 锥面实现可靠密封，使重物随时可靠地停留在 空中某一任意位置上。 2 1 4 新型液压平衡阀的使用性能 2 1 4 1 新型液压平衡阀解决了斜拉问题 实践经验表明，汽车式起重机往往受到地形或其它因素的影响，不可避免地 会对重物进行斜拉作业。在臂架为双缸的机械作业中，重物被斜拉起升时会出现 两缸偏载用力，从而造成臂架受扭曲作用。由于本新型液压平衡阀内设有为双缸 机械所用的保持阀，它能解决当两缸受偏载时的流量同步分配的功能，从而消除 了臂架偏心受载的工况。由于新阀中的两个保持阀是相互联通的，显然当其中一 个液压油缸由于斜拉的作用，外载荷突然增大，促使其外伸速度降低，缸内压力 升高，保持阀下腔压力升高，推动保持阀芯上移至阀内节流1 3 面积减少或截止位 置，缸内进油减少或停止；同时另外一个液压油缸必然会因缸内压力低而出现加 速进油，在液压油的作用下，外伸速度加快，承受的载荷也随着增大，达到一定 的程度之后，相对于这个液压缸的保持阀也会移向节流v i 面积减少且直至关闭状 态。这样在两个液压缸之间会出现一种动态过程的平衡，最后很快地起到了同步 作用，克服偏载( 斜拉引起) 对臂架的影响。这样由于新型液压平衡阀采用的双 液压缸及其特有的同步性，给需要机械同步的机器提供了更大的便利和可靠的性 能。 21 4 2 新型液压平衡阀具有良好的安全性 平衡阀实质上也是一个控制重物下降速度的压力安全阀，l 因而安全性是衡量 平衡阀性能指标的一个重要因素。一般的平衡阀由于控制阀芯和单向阀芯的结构 尺寸比较大，因而惯性也大，当进油管路破裂或者控制阀芯- n 的节流1 3 堵塞时 单向阀迟滞明显，往往不能马上回位，促使重物加速下滑，很容易造成事故，所 以安全性能较差。而新型液压平衡阀当主阀芯( 单向阀芯) 在不能迅速复位的时 候，保持阀在液压缸下腔液压力的作用下，会马上关断回油管路，起到了一个快 速反应阀的作用。所以新型液压平衡阀比其它同类产品更加安全可靠。 2 1 4 3 新型液压平衡阀阀具有优良的动、静态特性 9 工程实践表明，平衡阀没有阻尼孔或者流量特性不佳是造成阀芯振动和起重 设备点头的根本原因。当系统处于下降工况时，如果平衡阀开启、关闭过于缓慢， 容易产生爬行现象：反之如果平衡阀开启、关闭过于频繁的话则容易造成阀芯共 振，给平衡阀带来不可估量的损失。新型液压平衡阀的主阀( 单向阀) 内采用了 先导阀，且在控制阀和保持阀中加开了一定量的阻尼孔，大大改善了新型液压平 衡阀的流量特性，工作平稳可靠。 新型液压平衡阀在参考了美、日、德等国液压起重机相关液压回路或平衡 阀的结构后，配合双缸变幅工作要求而创新性地设计成由一个平衡阀及两个保持 阀的集成组合体。 保持阀与单向平衡阀的组合可以使新型液压平衡阀具有多种功能，并且阀的 结构也变得更紧凑。两个保持阀在整个新型液压平衡阀工作时能很好地实现双缸 同步，避免出现偏载的现象。此外，保持阀还能增强阀在带载下降时的安全性。 2 新型液压平衡阀的动态建模 油泵输出压力和流量的脉动，液流换向引起的液压冲击，以及负载的变化， 这些干扰作用使得导控压力和工作压力波动。例如，当负载以高于控制速度下降 时，油缸或油马达的供油一腔便供油不足，导控压力下降，工作压力上升，于是 就扰乱了阀杆的静态平衡。这种供油速度和排油速度的不相适应，就引起了平衡 阀的振动。当振动得厉害时，就可以看到吊臂明显点头，重物下降不连续，不平 稳。平衡阀的动态调整作用，就在于力图使系统很快回到所要求的静态平衡状态。 但是系统由一个状念转到另一个状态是不能突变的，因为干扰作用以及随之引起 的所有控制量和调整量都在系统中发生了过渡过程，于是阎杆开度、导控压力、 工作压力和背压这些主要参数就在其各自的平衡工作点附近振动，这时就有所谓 的稳定和不稳定两种可能。动态特性主要是从系统的稳定性和过渡过程的主要品 质指标来加以评定的。“” 研究和分析平衡阀是一个复杂的问题，至今还未有完整的设计计算资料，一 般是依靠试验来确定某些动态参数。这对平衡阀动态系统所建立的非线性微分方 程组带来很大的困难，而线性理论是以平衡状态附近的微小变化为前提，把某些 参量的变化如油的粘度、压缩系数等视为常量，且忽略高阶变量的影响，这是实 际中使用的简便理论方法，当然不可避免地给结论的准确性带来了一定的偏差。 下面就用这种线性理论对新型液压平衡阀进行动态特性分析，建立非线性微分方 程组，然后代入新型液压平衡阀动态特性计算机仿真系统得出结论。 新型液压平衡阀的工作原理图如图2 - 6 所示 图2 - 6 新型液压平衡阀的结构图 为了研究的方便，先作几点说明： 1 ) 设计新型液压平衡阀的一个主要目的是解决传统平衡阀中常吐嬲的点头 现象。由于点头现象是出现在下降工况中，所以对新阀的建模和仿真主要也围绕 下降工况进行。 2 ) 忽略随变幅角度而变化的负载惯性及惯性力的变化，通常变幅角度较小。 3 ) 泵的输入流量由于采用手动换向，不是严格的阶跃信号，但仍以阶跃信 号处理。 4 ) 未考虑管路动特性。 5 ) 假设回油压力po = 0 根椐新型液压平衡阀的结构及原理图，可以列出描述该阀动态特性的微分方 程如下： 1 ) 、主蒯芯、控制阀芯运动微分方程 4 只+ 爿：只一a p ，一k ，( 。+ x 。+ x ) + f 旷b 。挚：m 。i 訾 ( 1 ) 2 ) 、保持阀芯运动微分方程 脚，吼阶刖x 扩x x ) 十f r 凡饥譬= 肌手( 2 ) 3 ) 、容腔i 的流量与连续性方程 zq 。_ 争= 争挚 4 ) 、容腔i i 的流量与连续性方程 z 玑：吐警= 争譬 5 ) 、容腔i i i 的流量与连续性方程 2 既，警告警 6 ) 、油缸下腔的流量与连续件方程 儿等一zq - q ，妻警邯， 7 ) 、油缸上腔的流量与连续性方程 q ，q 扩儿等= 参挚 8 ) 、容腔i v 的流量与连续性方程 2q 争矿d p , 吼争( 8 ) 9 ) 、容腔v 的流量与连续性方程 z q 。吐争= 争挚 l o ) 、容腔v i 流量与连续性方程 q ：+ 2 q ，+ q ，q 一九学= 学警c - m 1 1 ) 、油缸运动微分方程 m ，哦九伊m ，警慨争( 1 1 ) 在以上各式中： f ，f ，：一稳态液动力( k g f ) f 萨2d w x ( p ，一p o ) c o s o f ，：= 2c 。2 形：x ：( p 。：一p 。) c o s o ： f 。f ：。一液压力( 液压油静压力产生) ( k g f ) f ：，= w x ( 尸。一p o ) c o s 0 f 。：= 矿：x ：( 只：一只。) c o s 0 ： w ，w 。一主节流口，保持阀节流口面积梯度( c m ) x 。，x 2 一主阀芯，保持阀芯位移变量( c m ) x 。，x 2 一主阀芯，保持阀芯速度( c m s ) 0 ，0 ，一主节流口，保持阀节流口液压油射流角度 k ，k 2 主阀和保持阀弹簧的综合弹簧刚度( k g f ，c m ) x - o ，x 。o 主阀和保持阀弹簧的预压缩量( c m ) x m 如主节流口和保持阀芯节流口的遮盖量( c m ) c 。，c s 一主节流口和保持阀芯节流口的流量特性系数 p ；，a ；，v t ( 其中i = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 一分别为容腔i ，i i ，i i i ，i v ，v 的 油液压力( k g f c m ：) ，有效作用面积( c m 2 ) 和容积( 3 ) y 一油缸活塞的位移( c m ) q ，一油泵的输出流量( c m 3 s ) p 。p l z 分别为油缸上、下腔的工作压力( k g f c m 。) r 一控制压力( k g f c m ! ) a l ，a a l 一分别为油缸上腔，油缸下腔以及v i 腔的有效作用面积( c m 2 ) v 。，v u ，v l 。一分别为油缸h 腔，油缸下腔以及v 工腔的容积( c m 3 ) q l l t ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 一分别为阻尼孔h ，h 2 ，心，乩，地， k 的流量( c d s ) 其中： q 。，2 c ”( p r p v g 。：2 ( 1 7 。：( 只一- p 1 ) 鳞，2 c ”，( p 3 - - p ”g 。2 c 。( p 。一p 0 ) q 。，= c 。，( p 4 一p 。，g 。2 c 。( 只一p ：，) c m ( i = l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 一分别为h 。，h 2 ，地，乩，心，心阻尼孔的流量特性 系数( c m 2 k g fs ) ch q = 3 1 4 ( d 1 二1 2 8p lh 。l l = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) d 眦，l h ；一分别为阻尼孔1 1 。，h 。，h 3 ，h ”h 。，h 。的孔径和孔长( e m ) 既，脚一分别为主阀芯、保持阀芯、油缸油塞的枯性摩擦系数( k g fs c m ) b ，= 31 4 p 旧，l ，h 。，+ d ：l ：h 。：+ d ：厶h 。，】 b ，：231 4 , u 旧。忆。一x ，：) h 。+ d ；( l 。，+ x ，：1 】 b ，= 31 4 t d 。三。h 。 x n ，x ；。一分别为某工况下平衡阀芯的位移速度( c m s ) q u ，q 。一主节流口和保持阀芯节流口流量( c m a s ) q 。2 c 。形t x ，( j d 犷p o ) 2 7 p 9 。：2 g 。x ：( 尸旷，。) ! p u 一液体动力粘度系数( k g f s c m ! ) p 一液体密度( g c m 3 ) b 。一液体弹性模量 m 。，呻一分别为主阀芯与控制阀芯质量之和，保持阀芯质量，油缸活塞与 负载质量之和( g c m 3 ) 。 对以上各微分方程经过线性变换，使得各微分方秸! 转变为线性方程，以便于 求解，其形式如下所示： 爿。尸。+ a ：p ：一a ，p ，一( 爿。+ k ，。) ，。一k p = ( m 。s 2 + b ，。s + k 。) y 。一( 1 2 ) a ，p ，一a p + k ，：p ：一k ，：，。= ( 疗2 ，：s ! + 疗，：s + k 。：) x ：( 1 3 ) 2 ( p 。_ p l 乜。_ 麟2 铷s ) 2 p ：- p j c z a ：s x ，2 分p 1 s o5 ) 2 ( 尸“一p ，) c m + 分p ，s2 爿，s x 【1 6 ) a c t y s + 2 c w s j p s k “：。r ! + 足。二尸。2 半s + 2 c 。+ k 。二) p 。= ( 1 7 ) q - 2 c ”，( 尸* p 1 ) 一爿c ：s y 2 鲁妒x 【1 8 ) 4 x 二s + 2 c 一，p “2 ( 参s + 2 c j p 一 ( 19 j 2 c p _ 爿，x ：s2 铲s + 2 c 一。) p 5 ( 2 0 ) k m x 。+ k 。p 。+ 2 c | s p4 + c h4 p ，一k 2 x 1 一k 。pl 1 一a ：s x 。 。铲s + k ”：+ 2 c c ”) r - ( 2 1 ) a 。p a 。p 。：+ w = ( 埘，+ 曰，) s r ( 2 2 ) 设新型液压平衡阀处于额定工况点( p 。- 3 0 l p a ，q u = 3 2 0 l m i n ) ，采用国际 单位制，将系数代入以上各拉普拉斯方程可得如下的方程： 3 1 4 p + 0 7 8 5 p ：一4 9 0p ，一0 7 8 5 p 。，= ( 3 5 0 s2 + 1 0 s + 1 0 0 ) x 。 3 1 4 p ，一3 1 4 p 。= ( 2 0 s 2 + 1 0 s + 8 0 ) x ， 0 7 p 。一3 1 4 s ，= 3 p 。 0 7 p ：+ 1 4 p ，一a s = ( 1 0 s + 2 1 ) p ： 5 x ，s + 1 4 p 。，+ 0 7 p 。= ( 1 0 s + 2 1 ) p ， 1 2 5 6 y s + 0 7 p 。+ 2 p ，= q o s + 3 ) p 。：s 3 2 0 1 4 ( j p 。一p 。) 一9 0 0 s y = ( 1 0 s + i 4 ) p k 3 1 4 彳：s + 2 1 r 。= ( 1 0 + 3 ) p 4 2 1 p 。：一3 1 4 x ，s = ( 1 0 s + 2 1 ) p 。 2 1 p 。：+ 1 4 p 。一4 x s = ( 1 0 s + 3 ) 尸。 p 。9 0 0 1 2 5 6 p 。：+ 8 x 1 0 4 ( 2 0 + 0 7 】，) s y 将以上各式求解得 y 2 雨鬃去 艄一。2 一等- - 。2 瓦 刚耻；再蒺纂矗蕊矿6 其中t = - 0 5 s ，对y ( s ) ，p 。( s ) ，p 。( s ) 进行拉普拉斯反变换可得 一”篱咖c 训培1 訾， 1 4 p 。( f ) = r ，( 1 p l ( f ) = p l ，( 篱s i nc 叫培警， 岽s i n c 甜小留1 譬， 假设新型液压平衡阀的工作参数如下所示： 1 、工作压力：2 5 m p a ( 2 5 0 k g f c m 2 ) 2 、最高压力：3 2 m p a ( 3 2 0 k g f c m 2 ) 3 、控制压力：5 m p a ( 5 0 k g f c m 2 ) 4 、压力损失：a p s e t w i n d o w t e x t ( t ( ”新型液压平衡阀动静态特性计算机 仿真系统”) 2 3 3 编辑菜单，使其达到系统要求 在对菜单进行编辑的过程中，首先从w o r k s p a c e 中选择m e n u 资源下的 i d rp i - i f e y p e ，点击鼠标右键，在p r o p e r t i e s 中选择l a n g u a g e ：c h i n e s e ( p r c ) 。 此外在菜单项的属性设置中也必须使d 号和c a p t i o n 符合系统要求，其形式如图 2 - 8 所示。”1 1 2 3 4 插入状态栏 1 6 从p r o j e c t 菜单项中选中a d dt op r o j e c t ，然后拾取子菜单c o m p o n e n t sa n d c o n t r o l s ，再选取d e v e l o p e rs t u d i oc o m p o n e n t s 中的s t a t u sb a r ，单击i n s e r t 按钮， 即可插入状态栏。2 1 其形式： 如图2 - 9 所示： 图2 - 8 图2 - 9 2 3 5 添加标准滚动条 使可视类c p h f v i e w 从c v i e w 派生改为从c s c r o l l v i e w 派生，只要将 p h f v i e w h 和p h f v i e w c p p 源文件中所有出现的c v i e w 类换成c s c m l l v i e w 即可。 2 3 6 加入应用程序初始画面( s pla s hs c r e e n ) a ：从c o m o n e n tg a l l e y 中嵌入s p l a s hs c r e e n ，然后在资源文件中进行编辑； b ：在s p l a s h e p p 中找到s e t t i m e r ( 1 ，7 5 0 ，n u l l ) ，修改第二个参数7 5 0 可以控制时间长短。3 ”1 1 7 2 3 7 加入对话框 首先从w o r k s p a c e 中选取d i a l o g 资源，右击鼠标，拾取i m p o r t 项，插入缺省 对话框。然后进行编辑，使之符合系统要求。”3 其形式如图2 一l o 所示： 图2 - 10 图2 - 1 1 单击鼠标右键，点取c l a s s w i z a r d 选项，在系统提示下生成新类。新型液压平 衡阀动、静态特性计算机仿真系统共生成了6 个对话框类，即为d i d o 妒k p 。， d i d o g p k q ，d i d o 妒g q ，d i a l o g s c ，d i a l o g c o p c ，d i a l o g - c b o p c 。在生成了对 话框类之后选择c l a s s w i z a r d 向导，加入与c p h f d o c 中同名的变量。”“2 ”其界面 形式如图2 - 1 1 所示。 2 3 8 重新编辑、封装c p h f d o c 类： 从w o r k s p a c e 中找到文档类c p h f d o c ，在p h f d o c h 其中嵌入如下代码。 p u b l i c i n t j u d g e t o d r a w ；用于区分各菜单项 d o u b l e mq ； d o u b l e mp g ； d o u b l e mp k ； d o u b l e ms ； d o u b l e mh 2 ； d o u b l emi l l ； d o u b l e md l ； d o u b l e mk ： d o u b l e md ： o p e r a t i o n s p u b l i c ：d o u b l ep k p g ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ； d o u b l ep k q ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ； d o u b l ep g q ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ； d o u b l ey t ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ： d o u b l ep i t ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ： d o u b l e p k t ( d o u b l e ，d o u b l e ，d o 曲1 e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ，d o u b l e ) ： 然后在p h f d o c c p p 中嵌入如下代码： d o u b l ec p h f d o c ：p k p g ( d o u b l eq ，d o u b l ep k ，d o u b l ed ，d o u b l ek ) d o u b l e p g ； d o u b l ez ； z = 3 + ( ( k 1 1 e 5 ) + 1 3 4 e 9 + q ( ( k 1 e 5 ) 5 e 2 一( d 3 0 ) 。( d 3 0 ) + 3 1 4 e 一4 + p k ) ) + ( ( k i e 5 ) + 1 3 4 e 9 + q ( ( k 1 e 5 ) + 5 e 2 一( d 3 0 ) + ( d 3 0 ) + 3 1 4 e - 4 + p k ) ) 一p k 3 1 ； i f ( z 0 ) z j o ： p g = z ； r e t u mp g ； d o u b l ec p h f d o c ：p k q ( d o u b l eq ，d o u b l ep g ，d o u b l ed ，d o u b l ek ) d o u b l e p k ； d o u b l es ： s = ( k 1 e 5 ) ( ( d 3 0 ) ( d 3 0 ) ) ； 1 9 p k = s * 1 5 9 e 6 + s 4 4 2 6 e 1 2 4 q s q r t ( p g ) ； r e t u mp k ； d o u b l ec p h f d o c ：p g q ( d o u b l eq ，d o u b l ep k ，d o u b l ed ，d o u b l ek ) d o u b l e p g ； d o u b l ez ： z = ( ( k 1 e 5 ) + 1 3 4 e 9 + q ( ( k 1 e 5 ) + 5 e 2 一( d 3 0 ) 4 ( d 3 0 ) + ( 3