（机械制造及其自动化专业论文）航空液压系统压力模块动态特性的研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 关纠 f 日期：- - 纠 ，上、沪 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 臻吖 同期：训，多、矽 摘要 压力模块是我国某型飞机液压系统的主要液压元件之一，其工作环境复杂， 压力高、流量大、通道多、切换频繁、动态性能指标要求严格。压力模块在控 制下游子液压系统的通断时，将产生较大的压力脉动、噪声和震动；在不同切 换模式下，其压力脉动、噪声和震动幅值也不相同。因此，如何采用采用有效 的手段，先进的设计方法，改善压力模块动态性能，将这些负面因素降至最低， 是压力模块研制单位亟待解决的问题。 本课题以压力模块为研究对象，首先对压力模块的流体力学特征进行了分 析，找出压力模块内部结构与流体状态的力学行为关系，建立理论仿真模型， 并根据理论仿真模型的特点，建立a m e s i m 计算机仿真模型，对压力模块进行 仿真计算。通过设计试验系统和测试系统，结合压力模块的实际工作状态，搭 建了物理实验平台，并进行实物试验，对仿真模型进行充分验证，确定了仿真 模型及结果的有效性。根据比对仿真结果和试验结果，分析了产生局部差异的 原因，得出一些影响压力模块动态性能具体因素。通过调整各影响因素指标， 进一步改善压力模块的动态特性。 本课题的研究，为液压元件的设计和动态性能分析提供了一种研究方法， 为改善或提高压力模块动态性能指标提供了参考依据，为下一步更高层次上研 究压力模块提供了基本资料。 关键词：航空液压系统压力模块仿真建模方法动态特性试验装置 a b s t r a c t t h ep r e s s u r em o d u l ei so n eo ft h em a i nh y d r a u l i cc o m p o n e n t su s e di na i r c r a f t s y s t e m ，i t h a sa c o m p l e x s t r u c t u r ea n du s e di n h i g h - p r e s s u r e ，l a r g e - f l o w , m u l t i - c h a n n e l ，q u i c k - s w i t c hh y d r a u l i c a le n v i r o n m e n t ，a n dh a v eah ig hr e q u i r e m e n ti n d y n a m i cp e r f o r m a n c e t h eh u y d r a u l i cs y s t e mw i l lc r e a t eag r e a t e rp r e s s u r ep u l s a t i o n ， n o i s ea n dv i b r a t i o nw h e np r e s s u r em o d u l ec u ts u b h y d r a u l i cs y s t e m t h ep r e s s u r e p u l s a t i o n ，n o i s ea n dv i b r a t i o na m p l i t u d ei sn o tt h es a m ei nd i f f e r e n ts w i t c hm o d e t h e r e f o r e ，h o wt ou s ea d v a n c e dd e s i g nm e t h o d s ，e f f e c t i v e l yi m p r o v ei t sd y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dm i n i m i z et h e s en e g a t i v ef a c t o r sh a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e m t h et o p i cf o rt h es t u d yo fp r e s s u r em o d u l e ，f i r s t l y , a n a l y z e dt h eh y d r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s s u r em o d u l e ，f o u n dt h er e l a t i o n s h i po fm e c h a n i c a lb e h a v i o r b e t w e e nt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fp r e s s u r em o d u la n dt h es t a t eo fi t sf l u i d ，a n d e s t a b l i s ha m e s i mc o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep r e s s u r em o d u l es i m u l a t i o n b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nm o d e l r h r o u 曲t h ed e s i g no f t e s ts y s t e ma n dt e s t i n gs y s t e m ，c o m b i n e dw i t hp r e s s u r ef r o mt h ea c t u a lw o r k i n gs t a t e o ft h em o d u l e ，s e tu pap h y s i c se x p e r i m e n tp l a t f o r m ，a n dc a r r i e do u tp h y s i c a lt e s t so n t h es i m u l a t i o nm o d e lt ov e r i f yt h es i m u l a t i o nm o d e la n di t sr e s u l t s c o m p a r e dt h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dr e a lt e s tr e s u l t s ，a n a l y z e dt h er e a s o nf o r t h ed i f f e r e n c e ，c o m e t os o m es p e c i f i cf a c t o r so nd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ep r e s s u r em o d u l e b y a d j u s t i n gt h ei n d i c a t o r so fe a c hf a c t o r w ec a nf u r t h e r l y i m p r o v et h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e s s u r em o d u l e t h er e s e a r c h p r o j e c tp r o v i d e s ag o o di d e af o rt h ed e s i g no fh y d r a u l i c c o m p o n e n t sa n dt h ea n a l y s i so fi t sd y n a m i cp e r f o r m a n c e a l s op r o v i d e sar e f e r e n c e a n db a s i ci n f o r m a t i o nf o rt h en e x th i g h e rl e v e lr e s e a r c hi nt h ei m p r o v e m e n to fi t s d y n a m i cp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ： a i r c r a f th y d r a u l i cs y s t e m p r e s s u r e m o d u l e s i m u l a t i o n s 、 m o d e l i n g m e t h o d st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t e s t i n ge q u i p m e n t 目录 目录 1航空液压系统与压力模块概述1 1 1 航空液压系统介绍l 1 2 压力模块与航空液压系统2 1 3 压力模块介绍3 1 3 1 压力模块的构成4 1 3 2 压力模块主要工作原理特点5 1 4 课题研究的主要内容5 1 5 课题研究方法6 1 5 1 试验法6 1 5 2 分析法6 1 5 3 综合法6 1 6 课题研究的意义6 2 压力模块数学模型的建立8 2 1 建模方法8 2 1 1 一般建模方法8 2 1 2 液压仿真模型8 2 2 单向阀数学模型的建立9 2 2 1 阀芯受力分析9 2 2 2 受力方程的建立1 5 2 2 3 流量方程的建立1 6 2 2 4 单向阀数学模型1 6 2 3 主阀数学模型的建立1 7 2 3 1 主阀受力分析1 7 2 3 2 主阀芯力平衡方程的建立1 8 2 3 3 主阀芯流量平衡方程的建立1 8 2 3 4 主阀数学模型1 8 2 4 先导阀数学模型的建立1 9 2 4 1 导阀模型建立1 9 目录 2 4 2 电磁铁模型建立2 2 2 5 压力模块数学模型的建立2 4 2 5 1 流量平衡方程2 4 2 5 2 受力平衡方程2 5 2 5 3 压力模块数学模型2 5 2 6 小结2 6 3 压力模块计算机仿真模型的建立2 7 3 1 确定计算机仿真对象2 7 3 2a m e s i m 仿真软件介绍2 8 3 3 基于a m e s i m 压力模块仿真模型的建立2 8 3 3 1 单向阀子模型2 8 3 3 2 主阀子模型3 0 3 3 3 先导阀子模型3 1 3 3 4 压力模块试验系统模型3 5 4 试验装置设计和试验内容3 9 4 1 试验状态介绍3 9 4 2 离线状态下试验装置的设计3 9 4 2 1 试验装置的基本要求3 9 4 2 2 试验装置设计4 0 4 2 3 试验装置中部分元件选型4 1 4 2 4 测控系统介绍4 3 4 2 5 测控系统部分元件介绍4 4 4 2 6 测控组态软件介绍4 6 4 3 在线状态下液压泵站的介绍4 6 4 3 1 集中供油系统4 6 4 3 2 支路液压系统4 8 4 3 3 计算机网络远程控制系统4 9 4 4 主要试验内容和试验方法4 9 4 4 1 主要试验内容4 9 4 4 2 试验方法5 0 5 压力模块试验结果及性能研究5 2 目录 5 1试验结果与计算机仿真结果5 2 5 1 1 试验结果5 2 5 1 2 计算机仿真结果5 5 5 1 3 试验及仿真结果分析5 8 5 2 影响压力模块性能因素的分析6 0 5 2 1 元件几何形状的影响6 0 5 2 2 间隙与泄漏量6 l 5 3 性能优化分析6 2 5 3 1 间隙内压力分布均匀性6 3 5 3 2 最佳间隙值分析6 4 5 3 3 油液质量控制6 6 5 4 小结6 8 6 结论与展望6 9 6 1 结论6 9 6 2 展望7 0 参考文献7 1 个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果7 4 致谢7 5 1 航空液压系统与压力模块概述 1航空液压系统与压力模块概述 1 1 航空液压系统介绍 2 0 世纪4 0 年代后期，液压技术越来越多地被应用于航空领域，主要用来完 成对飞机舵面、垂尾、平尾等飞行动作的操纵，其基本执行元件是液压助力器，。 经过不断改进的液压系统，被用于飞机各液压助力器的驱动，这大大改善了飞 行员的工作环境，节省了飞行员的体力消耗。另外，液压系统操纵助力器的成功 应用，克服了长期以来困扰飞机操作的问题，就是飞行在跨音速飞行时，舵面 气动力将引起普通机械操纵杆力非线性变化，导致飞机操纵性差的问题。对于这 个问题的解决，也使飞机由亚音速跨入了超音速的飞行n 町1 。 2 0 世纪6 0 年代以来，由于计算机技术、自动控制技术、微电子技术、可靠 性技术、新工艺、新材料等相关支撑领域的发展和应用，液压技术的广度和深 度再次得到深刻地发展。主要体现在液压系统应用更广、信息化程度增强，安 全性和可靠性更高等诸多方面。新材料的普遍应用，提高了液压元件的质量、 性能，推动液压元件向高压、集成化方向发展。液压技术也在航空领域得到了 广泛的应用n 钔“5 1 ，发挥着越来越大的作用。飞机的操纵系统如水平尾翼、垂直 尾翼、襟翼、副翼、方向舵、执行助力器、变臂器、人感系统等均采用了液压 控制系统；飞机发动机恒速、恒频调解，火力系统中的雷达与炮塔的跟踪，电源 系统的恒速、恒频调解、前起落架转弯与机轮刹车系统等均采用了液压系统控 制。 现代及下一代飞机若要实现推力矢量控制、超机动大攻角飞行( 如“眼镜蛇 动作”) 、直接力控制、颤振抑制、机动载荷控制等这些苛刻的响应指标，都 需要具有快速反应能力、功率强劲的液压系统支持。而这些苛刻的响应指标都 是未来飞机出奇制胜的关键指标，因此液压系统的发展状态，很大程度上关系 到飞机整体性能的发展，甚至影响整个航空事业的发展。 液压传动系统在实际的航空飞机上使用的最为普遍，几乎飞机上的全部动 力收放系统都是由由液压传动系统完成驱动的。所以液压技术的重要性可见一 斑，整个飞机上之所以使用如此多的液压驱动技术，其主要原因是液压驱动技术 存在许多其他传动装置或系统不具备的优点，比如容易实现大密度功率传递、 1 航空液压系统与压力模块概述 其速度响应能力超强、系统的整体刚性大。除此之外，液压技术还可以直接或 间接地利用飞机上的多种形式能源系统，完成各种形式的能量转换。如油泵可 以直接由发动机带动或燃气涡轮系统驱动，可将该部分能量转化成有用动力。 近年来，航空事业的深入发展对飞机液压系统提出了更高的要求，特别是民用 飞机对液压技术的要求更为高端、近乎苛刻。综合来看，未来飞机液压系统方 向必将朝着体积小、质量轻、高压化、变压力、大功率、多余度等方向向前迈 进。 1 2 压力模块与航空液压系统 压力模块是航空液压传动系统的主要控制调节组件之一，体现了航空液压 系统元件体积小、质量轻、大功率、多余等特点。模块有两个入口通道，可以 根据需要选择其中一个通道向液压传动系统提供动力，另外一个通道为多余度 备用通道；同样技术规格( 包括工作压力和额定流量) 的前提下，该模块与标 准电磁换向阀相比，其体积只有电磁换向阀的1 3 ： 压力模块主要用于航空液压系统的液压源部分，可以实现有选择地关闭或 打开液压源三条执行油路中任何一条油路，具有反向截止功能。当主系统机载 液压泵故障时，可启用辅助系统机载液压泵工作。压力模块在航空液压系统的 使用位置如图1 - 1 所示。 图1 1 压力模块用处 。j ； | - 9 ： ：j 入 压力模块 l 航空液压系统与压力模块概述 1 3 压力模块介绍 压力模块是用于航空液压系统的一种复合式三通道电磁换向阀1 3 1 ，是两 个单向阀和三个两位三通先导电磁换向阀的组合( 见图1 2 ) ，也是一个微型液压 系统。 压力模块外形如图1 2 所示，各接口说明如表1 1 所示： 图1 2 液压阀外形图 表1 1 液压阀接口说明 l 航空液压系统与压力模块概述 压力模块具备两项基本功能：其一、具有三通道液压油路独立通断功能； 其二、具有反向截止功能。综合来看，压力模块具备四个特点： ( 1 ) 正向通过压力模块时，液压系统的压力损失小； ( 2 ) 压力模块三通道换向动作要迅速、关闭性能好、效率高、动作执行稳定 可靠； ( 3 ) 正向通过压力模块三通道，液压系统中其它执行元件状态变化时，压力 模块应该能稳定可靠工作； ( 4 ) 在诸如振动、冲击、高低温、湿热霉菌等环境压力模块的外观和工作性 能的变化要小( 具体按技术规格书) 。 1 3 1 压力模块的构成 如图1 3 所示，压力模块是一个三级组合阀，有三部分组成： ( 1 ) 第一级：两个并联单向阀n 引，用于实现压力模块反向截止和可连接备用 泵的功能。 ( 2 ) 第二级：三个串联的液控方向阀( 下称“主阀”) ，用于实现压力模块三 个独立通道的开启和关闭功能。 ( 3 ) 第三级：三个独立的两位三通电磁换向球阀( 下称“先导阀”) ，用于控 制第二级液控压力模块三个独立通道的开启和关闭。 p l p 2 图1 3 压力模块j ：作原理 1 航空液压系统与压力模块概述 1 3 2 压力模块主要工作原理特点 压力模块的主阀有阀芯、复位弹簧阀套等部件组成。其工作原理是通过改 变先导液压油的状态，配合预压弹簧的作用，实现主阀阀芯的动作，从而实现 也有各通道油路的通断功能。当先导腔的压力低时，主阀阀芯右移动，使该通 道逐渐关闭；当先导腔的压力高时，主阀阀芯左移动，使该通路逐渐打开。先 导压力的控制有一个两位三通电磁换向球阀，该球阀行程短，动作迅速，能够 快速实现液压油路状态的转换。 压力模块具有三个通道，每个通道需要最大流量为2 5 0 l m i n ，工作压力达到 2 1 m p a 。一般滑阀结构的电磁换向阀无论在技术指标上还是在功能需求上均无法 满足需要。此外，一般的电磁换向阀存在流阻大、安装空间大等缺点。为了满 足航空液压系统三通道自由通断、流量大以及安装空间小等实际需要，进而研 制了这种复合式三路电磁换向组合阀，又称压力模块。 综上述，可以总结出压力模块的几个特点： ( 1 ) 集成程度高、工作压力高、系统通流量大、结构紧凑、体积小； ( 2 ) 主阀为锥阀结构，流阻较小、耐污能力强； ( 3 ) 主阀的运动由先导压力控制，其结构合理、动作灵活、性能可靠； ( 4 ) 先导阀采用先导球阀，其行程短、动作迅速、密封性好。 ( 5 ) 其结构及主要参数等方面与普通滑阀相比具有明显的优点，但其动态性 能怎样还需要从理论以及试验上做进一步的研究验证。 1 4 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容有六个方面： ( 1 ) 压力模块基本参数的确定； ( 2 ) 压力模块数学模型的建立； ( 3 ) 压力模块计算机仿真模型的建立； ( 4 ) 压力模块试验装置的设计； ( 5 ) 压力模块仿真结果和试验结果分析； ( 6 ) 影响压力模块动态性能几个因素及改进方法。 1 5 课题研究方法 对压力模块的性能研究基本有三种方法： 1 5 1 试验法 试验法是基于实物验证的一种研究方法，其前提应具备已经生产出来的实 物，搭建一定的实物试验平台，进而通过试验进行研究的一种方法。该方法直 观，符合实际工作情况，只要试验数据采集的装置精度高，所得结果既具有较 高的研究价值。同时，该方法也存在过程烦琐，试验周期长，试验费用昂贵等 缺点。 1 5 2 分析法 分析法通常以研究对象的物理参数为基础，根据相关的物理规律建立各变 量问的数学表达关系式，即建立数学模型。通过求解数学方程，求出各变量的 值，绘制各种性能曲线。但这种方法需要较深的理论知识和数学知识的支撑， 不适合工程人员在研发产品时使用。近年来，随着计算机技术的发展，各种仿 真软件的出现，使得这一方法具有一定操作性，越来越被人们重视和接受。 1 5 3 综合法 综合法是理论法和试验法相结合的产物，根据理论研究和试验研究的需要， 有选择对研究对象的试验方法进行调整，不但可提高研究精度，也可以提高研 究效率、降低研究成本，是当前科研领域研究普遍采用的一种方法。 1 6 课题研究的意义 本课题的研究意义有以下三点： ( 1 ) 本课题的研究是企业进行改进设计方法、不断创新提高的要求。 当前工程应用中，对液压阀的设计程序相对单一，即通过对设计对象边界 条件的理论计算确定液压阀的物理尺寸，然后生产试验；对于新品研制来讲， 这种方法存在投入费用高、产品稳定性差、研制周期长等缺点。 在市场竞争日益激烈的今天，企业为了自身更好的发展，必须不断的改进 设计方法，不断创新设计思路，提高工作效率，争取最少的投入换来最大的产 l 航空液压系统与压力模块概述 出，降低研制费用、提高产品稳定性、和缩短研制周期，这样企业才能立于不 败之地。 ( 2 ) 本课题的研究将提高产品研制和产品生产单位理论水平，提高压力模块 试制成功率。 通过本课题的研究，可以使产品研制生产单位在设计理论知识上有一个很 大的提高，特别是对液压阀的动态性能、动态性能与液压液压阀尺寸之间的关 系有一个深刻的认识，同时也为他们提供了一套新的设计思路。 本课题的研究成功，将改善产品研制进度、改善设计效率、提高一次研制 成功的可能性。必将为研制单位提高设计水平和生产能力做出贡献。 ( 3 ) 本课题来自实际生产，同我国航空领域的建设紧密相连。 本课题源自实际在研项目，结合研制单位的加工制造能力和试验设备，本 课题的理论分析内容可以得到验证，这种理论分析和试验验证的相结合进行研 究的方法，具有较高的理论深度、广度以及实际应用价值，符合研究生教育的 培养要求。因此本课题选题正确，思路清晰、方法可行。 2 压力模块数学模型的建立 2 1 建模方法 2压力模块数学模型的建立 2 1 1 一般建模方法 所谓建模心1 ，就是用字母、数字和其他数学符号构成的等式或不等式，或用 图表、图像、框图、数理逻辑等来描述系统的特征及其内部联系或与外界联系 的模型。它是真实系统的一种抽象。仿真模型是研究和掌握系统运动规律的有 力工具，它是分析、设计、预报或预测、控制实际系统的基础。仿真模型的种 类很多，而且有多种不同的分类方法。 通常意义上，建模可以分为两种类型：静态和动态模型阳驯。静态模型一 般由一组代数表达式组成，主要描述的系统各参量之间的关系，这些关系中不 存在时间坐标，也就是各参量的变化与时间没有关系，静态模型通常是在设计 过程中确定的参量关系，用于描述模型的设计状态。动态模型一般用微分方程 或差分方程来表示，主要描述系统各参量之间的关系，这些关系的横坐标是时 间坐标，也就是说各参量的变化都是以时间为基准产生的，动态模型能够表述 模型的过程变化，是研究模型动态指标的最佳方法。 2 1 2 液压仿真模型 对于液压系统而言，人们通常关心的重点，是对液压元件或系统的过程状 态进行分析，这些状态时连续的，同时也是非线性的。根据研究状态的不同， 液压系统仿真模型可以分为两类：分布式参数建模和集中参数建模。 2 1 2 1 分布参数建模 对于连续的流体介质而言，一切物理状态量必然地都存在一个包含时间变 量表达式，该表达式具有单值、连续、可微的特点，同时满足( x ，y , z ，t ) 的坐标关 系。因此，液压元件内部的流体指标( 包括温度、压强、流量) 不仅是时间的 函数，也是三维空间的函数，其理论模型通常使用偏微分方程式来表达。但是， 由于目前的数值计算水平的局限，以及计算机发展水平的限制，很难求解出偏 微分方程的精确解，通常采用有限体积法或者有限元分析等离散式的数值计算 2 压力模块数学模犁的建立 方法求偏微分方程。通常情况下，液压元件内部构造复杂，影响因素较多，同 时存在温度和压力的耦合效应，这将导致采用有限元或有限体积法前处理阶段 的工作异常复杂，需要的网格划分数量巨大，这将导致求解方程的计算量庞大， 对于当前的计算机的发展水平而言，不适合普遍应用。鉴于分布参数建模的局 限性，目前该方法较适用于对具有简单几何规则的液压元件或液压元件局部进 行研究。 2 1 2 2 集中参数建模 在应用工程上，通常不具体对某个液压元件进行研究，整个液压系统的动 态特性才是应用需要研究的内容。由各液压元件的组成的液压系统物理结构变 化丰富，如果采用分布建模的方法，即采用有限元分析的方法，这将进一步加 研究的难度，同时技术上也是不可行的。目前，基本上所有的仿真软件及液压 系统建模程序均采用集中参数建模的原理，进而研究液压系统的动态特性，这 种方法使对液压系统的动态特性的研究成为可能，不但技术可行，研究结果也 较为可信。其实集中参数模型和分布参数模型之间有一定的对应关系，可以通 过某种方法( 如空间离散法) 将集中参数模型转化为分布式参数模型，这种做 法起到化繁为简的作用，同时也是解决分布式建模求解问题的一种有效方法。 采用集中法进行液压系统建模具有诸多优点，其中最大的特点就是可以简 化液压系统的理论模型，使得液压系统仿真从技术到应用变成现实。一般而言， 通常采用平均的方法，对集中参数模型的各参数进行设定，这种方法利弊共存， 其优点是可以高理论模型适应能力，特别是对空间参数变化的适应能力，从而 大大地简化理论模型的计算与仿真；其缺点是必将对液压系统仿真带来误差。 通过平均法进行液压系统的动态特性仿真计算，通常可以得到液压系统内部各 点的压力和温度随时间的变化趋势及相关信息，而对于液压液压系统内部的压 力和温度分布情况效果不明显。 2 2 单向阀数学模型的建立 2 2 1 阀芯受力分析 单向阀阀芯上的作用力主要有液压力、液动力( 包括稳态液动力和瞬态液 动力) 、弹簧力、卡紧力、摩擦力等，这些力体现的形式不尽相同，但他们共同 2 压力模块数学模型的建立 决定了阀芯驱动力的大小和阀的响应性能。 图2 1 单向阀结构 。、，u 广 图2 2 单向阀阀芯尺寸 2 2 1 1 液动力 液体流过液压阀对阀芯的动作会产生一定的影响。人们通常设定一个与阀 芯动作有关的特定空间，来研究流体流动对阀芯动作影响的大小，这个特定空 间就是常说的控制体积。可以把物体运动的动量定理应用于体积内的流体，从 而找出流体流动对阀芯动作的影响的解答”1 。 图2 3 理想流稃变化图 如图( 2 3 ) 所示，在流体不可压缩的假设下，观察和分析在出时间内流体 的动量变化d c m v ) 。 可推导出液动力公式1 ： f = 卜4 鲁一础v , 以a t j + 肚署= p q y ：- p q y i + 础鲁 其中 q = 4 鲁叫等 由此可以看出，具有两种不同意义的力作用于流体使之产生动量变化： f = 昂+ f j 式中： 稳态液动力：岛= p q 2 匕一p q i k ( 2 1 ) 瞬态液动力：c ：p l 等 ( 2 2 ) ( 1 ) 开启口稳态液动力 一般液压阀的阀芯结构多为圆形，所以稳态液动力在径向方向上的分量相 互抵消。稳态液动力的轴向分量都是力图使阀口趋于关闭，这就是说，阀芯在 移动过程中打开阀1 5 1 时，稳态液动力的轴向分量是阀芯移动的一种阻力；而当 关闭阀口是，则是阀芯移动的一种推动力。 此处稳态液动力的轴向分量为： 昂i = 一( 加匕。c o s o f l p q k 。) 其中： 历一 q i 。= q i 。= c i 彳、二( 片。一只。) yp r 一 = c i ( r i d , x l 。s i n a i 一万x 二s i n 2 口lc o s o y i ) ，三( 片。一昱。) p 厅一 一= e 孟日n 一只一) 昂i = 一( 鲤。c o s 口l 一夕q 巧。) = 一c l o r d i x ls i n a l 一万矸s i n 2 口ic o s 口i ) 括( 耻纠( p e 踟。吨) c o s o q - p v i 。) 由于： 刀d l x l 。s i na f _ l 刀x 二s i n 2 口ic o s o r i及n k 。， 上式可化简得到： 2 压力模块数学模型的建立 ，l = 一c l 石日x i 。s i n a if 二( 只。一只。) p c ，i - 3 ( 只。一只。) c o s g i vpv = 一c i c ，z t d l x i 。( 异。一最。) s i n 2 a t l 若把c 看作l ，则上式为： l = 一c i r c d i x l 。( 日。一最。) s i n2 0 1 i ( 2 3 ) ( 2 ) 开启口瞬态液动力 由式2 - 2 可得： 只，：一cjc，：一p芝孑：一p!三!二=!掣 “勖q 丽警一嚣掣 瞬态液动力只。与阀芯开口量x i 。的变化速度竺和流体压力的变化速度 堕掣有关。上式右边两项中，对一般的压力和流量调节过程来说，开口 量x j 的变化速度这一项尤其重要，而流体压力变化项因影响不显著常被忽略掉， 这样，上式即可简化为： 只。= 一c 万d i 历万丽警一b sd x 万l ( 2 _ 4 ) 瞬态液动力的方向始终与阀腔内液体的加速度方向相反，据此可以判断瞬 态液动力的方向，它可能是正阻尼作用，也可能是负阻尼作用。锥阀中瞬态液 动力一般予以忽略。其中各参数如表2 1 ： 表2 1 液动力方程式参数 2 压力模块数学模型的建立 由于液压油弹性模量很大，可以假设油液不可压缩，在阀芯向右移动时， 阀- 心h 佃炳i j j 的容腔的体积减少，多余的液压油从d 4 孔流出产生流量0 5 n ，同时也 将产生液动力作用于阀芯的轴向方向。 ( 1 ) 稳液动力力 由式( 2 - i ) ，可知： 昂2 = 一q 。_ 。c o s z 2 q 5 。：4 孥 矿s n = 、a 3 五百d x l n 所以：f w 2 = - p n 笪2 a 4 ( 警) 2 c ： 其中：昂：阀芯导孔稳态液动力；a 4 = 三刃阀芯导孔面积；鸽= 三囱 芯密封腔面积；p 液体密度：n 阀芯导孔数量。 ( 2 ) 瞬态液动力 由式2 - 2 可知： q 4 。：以c 0 s 掣n 警 略砒警叫一叫忡s 哆了d 2 x l n 2 2 1 3 弹簧力 在液压系统中，弹簧的使用非常普遍，与弹簧接触的可移动阀芯的端面受 力为：f = k 。( 五。+ ) 式中：f ：弹簧力；k 。：弹簧弹性系数；。：阀芯位移：x o 初始位移。 本文中涉及的弹簧为圆柱型螺栓压缩弹簧，其具弹簧刚度为常数。 2 2 1 4 惯性力 惯性力是一种质量力，与运动对象的质量和加速成j 下比，根据牛顿第二运 动定律，惯性力为： 叫口叫争 2 压力模块数学模刑的建立 式中：惯性力；m 阀芯质量；x ，。阀芯位移 2 2 1 5 卡紧力 流体在液压阀阀芯与阀体( 或阀套) 之f b j 的配合间隙中的流动，就是流体 在偏心环状缝隙中的流动。由于阀芯和阀体孔有锥度，他们之间还存在偏心量 e ，这使得在圆周方向上的不同间隙处沿间隙长度l 的压力分布发生变化，从 而对阀芯产生了一个径向不平衡力，即是液压卡紧力。对于液压阀来说，产生 卡紧力的地方有时不只一处，所以设计计算式应考虑阀芯和阀体孔成负锥度时 所产生的液压紧力。 根据推导可得液压卡紧力公式： e o 2 7 五厶z 3 ( 忍。一另。) ( 2 5 ) 其中： 表2 2 液压卡紧力公式各参数 序号 标记 含义鼍纲 1 e 卡紧力 n 2 岛 卡紧力作用长度 m 卡紧力作用圆周周 3 z 3 长 万以、m 4 罡。、只。 卡紧力两端压力m p a 五= i 未开均压槽 一以2 0 4 开一条均乐槽 五- - 0 0 6 开三条均压槽 五- - 0 0 2 7 开七条均乐槽 2 2 1 6 摩擦力 阀芯运动所受的摩擦力主要是阀芯与阀套间的摩擦力，它包括干摩擦力和 粘性摩擦力两种情况。 阀芯与阀套间的干摩擦力是由于阀芯与阀套不同心、阀芯与阀套的几何形 状不j 下确等原因导致阀芯上产生径向不平衡液压力所造成的。但在设计制造合 1 4 2 压力模块数学模删的建立 巴= 鼠百d x l 脚叫一 协6 ) 巧2 + 吩2 一孟轰二；雩万 表2 3 枯性摩擦力公式各参数 2 2 2 受力方程的建立 阀芯简化物理模型乜如图2 1 和图2 2 所示，根据上述受力分析结果及牛 顿第二定律可得出阀芯( 右移) 受力表达式： 日。4 一只。( 4 一以) 一弓。4 = + + e + e i 一2 + 只l c 2 + 最 = m 。争+ b , - - 警+ k t ( x 。+ ) + c l g 万d , x 。( 曰。一只。) s i n 2 q p 岳( 警舳s ”e 警一以4 争+ o 2 7 以驯督 整理得： 2 压力模块数学模犁的建立 - - - 一一一一 鼻。a - 一片。( 4 一以) 一层。4 叫- 一鹏4 ) 争一夕岳( 警) 2 c 。s 州鼠例警+ ( k + q g 刀q ( 吒一p 2 。) s i n 2 0 r 。) 五十( k k + o 2 7 五厶d 3 ( e 。一昱。) ) 圳争一击c 警) 2 c 吗坩警憎墨+ c 其中：m = ( 肘- 一p 厶4 ) ；b = ( 只+ 鼠) ；k = k 。+ c l e 万q ( 片。一另。) s i n2 c = ( k 。k + 0 2 7 2 k 厶b ( 只。- 8 。) ) 2 2 3 流量方程的建立 2 2 3 1 移动口流量方程 通过移动口的流量盥2 3 可用如下表达式表示： 蜴。= q 石q 五。 s i n 口l 式中：c l 流量系数；墨。阀芯位移；q 通流面积 2 2 3 2 固定口流量方程 通过固定口的流量可用如下表达式表示： 幺。= 以一警 2 2 3 3 总流量方程 q 2 n = q i 。+ q 4 。= 4 c o s 警+ c i 万d l 五。 2 2 4 旱同阀数学模型 阀芯受力方程： ( 即鹏4 ) 争一p 岳( 鲁舳s 酬忍例百d x i n + ( k + q e 刀口( 日。一最。) s i n 2 0 r i ) 墨+ ( k i k + o 2 7 2 , k l z d 3 ( p 3 。- e 2 。) ) 堋争一夕击c 警) 2 c 。s 似譬憎五+ c 1 6 s i n 口l 2 压力模块数学模型的建立 q 2 n - = q i 。慨= 4 c o s 警+ g 万d , x 。 2 3 主阀数学模型的建立 s i l l a t 0 【3 吝o l 1r j l ， 弋 _ _ _ _ _ _ _ ，i 卜 。i 。 i 一 ，1 ， - - - 1 1 匕3 ij o 1_ p - q t 。 图2 4 主阀芯尺寸 2 3 1 主阀受力分析 主阀芯上受力分项如表2 4 图2 5 主阀结构 表2 4 主阀受力分项表 1 7 2 压力模块数学模型的建立 2 3 2 主阀芯力平衡方程的建立 阀芯简化物理模型如图( 2 4 、2 5 ) 所示，根据上述受力分析结果及牛顿 第二定律可得出阀芯( 右移) 受力表达式： 只。d l + 只。( d l d i ) 一p 6 。d 6 = t + 乃l + b l + f + e + 巴 = m ：争+ c i g 万绒以。( 只，一只。) s i n 2 a3 + 厶c 万d 6 x 2 p ( p 5 - p 6 ) d x 口，2 - - - 旦 + k 2 ( 叉r 2 。+ 矗) + o 2 7 2 k l e d 7 ( p 7 。一只。) + 反! 今 = m ：争+ ( 厶c 万d 6 f 历琢而+ 鼠，_ d x f 2 + q c v 万d 6 x ：。( 忍。一只。) s i n 2 a 3 + k 2 ) 五疗 + ( k ：x o + 0 2 7 以厶d 7 ( 弓。一只。) ) 2 3 3 主阀芯流量平衡方程的建立 2 3 3 1 主阀中孔流量方程： g 。= 警 2 3 3 2 导油腔流量平衡万程： 当先导阀腔内的压力梯度很大时，流体的压缩性损耗必须予以考虑，即流 体流量平衡方程中，必须增加容性阻抗一项： d 7 警一啬咄峨 ；d t p p d t ” 式中：巧= 掣d 2 + d 7 ( s 一五。) 2 3 3 3 主阀口流量方程： 仄一 q 5 一= q 6 一= c f g 万d 6 x 2 v 1 丢- 只一) s l n 口f 2 3 4 主阀数学模型 阀芯受力方稗： 2 压力模块数学模型的建立 只。4 + b 。( 4 - d 。 ) - p 。以= m ：争+ ( c 万d 6 止瓦瓦而+ b ) d x 刎2 + c f g 万仇k 。( 只。一只。) s i n 2 a s + k 2 ) x ：。 + ( k 2 x o + 0 2 7 2 k l 2 3 7 ( 弓。一只。) ) 流量方程：q 5 。= q 6 。= q e 万d 6 置s i n 口l 2 4 先导阀数学模型的建立 先导阀包括两个部分，即导阀执行部分和电磁铁部分，其结构如图( 2 5 ) 2 4 1 导阀模型建立 p 3 q i - p 7 q ， 图2 5 电磁阀结构 i 。 i 广 1 _c r 7 、 i f -一 u ，一 j 一二 lu i 图2 6 导阀结构 1 9 2 压力模块数学模型的建立 2 4 1 1 流通面积 图2 7 所示，直角形状及球式阀芯的流通面积与阀体通流孔径、球式阀芯 直径、阀芯移动位移有关系： f 通流面积： 图2 7 球阀流通面积 彳叫争2 1 一( 警) 2 历 舯口= 警+ 历；妇= 击；h = x o + x o 其实，实际的流通面积的值取决于上下钢球所在的位置化胁儿) ，当钢球 到达最大位置时，其流通面积是固定的，可得： 厶。吲亨) 2 l 一( 警) 2 历 = 4 ( d s 2 一办2 ) 2 4 1 2 泄漏量计算 通常情况下当疋抽即时，可以通过设置疋，。的值( 接近于零的值) 以模拟阀 的泄漏量，液体流过的体积( v 0 1 ) 可公式计算： 2 4 1 3 运动方程 根据球的工作环境，其主要受力有两侧压力作用于对应面积上产生的压力， 阀芯运动时惯性力，以及推杆的推力。 受力示意图2 8 如下： 其方程： 图2 8 运动受力图 ib + 与4 = 只+ 研：口另= 忍向左移动 【+ _ ，l ：口+ 弓4 = 只s o 与= 与，f o = o 向右移动 2 4 1 4 流量方程 通过阀口的流量与阀