（机械工程专业论文）电液控制系统试验装置的研制.pdf

摘要 捅要 电液伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，其静态和动态特性测试在电液伺 服系统的理论与实验研究中具有十分重要的意义。随着计算机辅助测试( c a t ) 技术的发展，电液伺服阀性能测试技术取得了很大进步。 电液伺服阀的特性包括静态特性和动态特性两方面。主要的静态性能有负载 流量特性、空载流量特性、压力特性和内泄漏特性；主要的动态性能有：频率响 应特性和阶跃响应特性。此外，因为伺服阀经常在零位区域工作，所以零区特性 特别重要。电液伺服阀的零区特性包括零偏和零漂特性、零点域值和分辨率。试 验系统的总体方案设计主要是液压系统的设计，并对液压系统中各主要元件进行 了设计选择。试验数据的采集与处理是对采集处理后的特征曲线进行分析，并对 本次电液控制系统试验装置进行了评价。文章最后进行了课题总结，并对进一步 研究做出了展望。 关键词电液伺服阀；试验台t 动态试验；静态试验 北京工业大学t 程硕上学位论文 a bs t r a c t e l e c t r oh y d r a u l i cf f 臌 v ov a l v ei st h ec r u c i a lc o m p o n e n to ft h ee l e c t r oh y d r a u l i e f f , a v os y s t e m i t ss t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ch a v ev e r yi m p o r t a n t m e a n i n g sw h i l es t u d y i n gi nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n to ft h ee l e c t r oh y a r a u l i cs e 0 s y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r oh y d r a u l i cs e l a ，ov a l v ei n c l u d e st w or e s p e c t so ft h e s t a b l es t a t ec h a r a c t e r i s t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c m a i ns t a b l es t a t ep e r f o r m a n c e h a sc h a r a c t e r i s t i co ff l o w w i t hl o a d s ，u n l o a d e df l o wc h a r a c t e r i s t i c ，p r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i ca n di n s i d el e a k a g ec h a r a c t e r i s t i c ；m a i nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci sa s f o l l o w s ，f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t e p sr e s p o n s ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o nb e c a u s es e r v ov a l v eo f t e nw o r k si nz e r oa r e a s ，s ot h ez e r oa r e a s c h a r a c t e r i s t i ci sv e r yi m p o r t a n t ，i n v o l v i n gz e r oe x c u r s i o na n dz e r of l o a td y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，z e r op o i n tt h r e s h o l dv a l u ea n dd i s c e m m e n tr a t i o t h ew h o l ed e s i g no f t h et e s ts y s t e mp r o j e c ti sam a i n l yd e s i g ns y s t e m a t i ci nh y d r a u l i cs y s t e m ，a n dt h e nh a s c a r r i e do nd e s i g nc o m p o n e n t s i ti sm a i n l ys y s t e m a t i ch y d r a u l i ce q u i p m e n t sa n d s o f t w a r ec o m p i l e di nt h ec h a p t e ro ft h ed a t at ob eg a t h e r e da n dd e a l tw i t h h a r d w a r e s y s t e mf i n i s h e dd a t ag a t h e r e da n dc o m m u n i c a t i o nt a s km a i n l y ，a n dh a r d w a r ei n c l u d e c o m p u t e r ，s e n s o r s ，i n p u t - o u t p u ti n t e r f a c ec i r c u i t ，c o m p u t e rp e r i p h e r a le q u i p m e n t s ， e t c a tl a s tt h ep a p e rd r e wt h ec o n c l u s i o n ，a n dp r o s p e c t e di nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：e l e c t r oh y d r a u l i c s e r v ov a l v e ；t e s te q u i p m e n t ；d y n a m i ct e s t ；s t a t i ct e s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特，l l j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 毛。f 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：矽咚导师签名：主丝墨丝眺也么 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 课题的提出 液压技术是现代传动与控制技术领域的关键技术之一，它的应用水平直接影 响机电产品的质量和水平。世界各国对液压技术的发展都给予高度的重视。液压 技术在我国的应用领域正在不断扩大，在国民经济中的地位也越来越重要，是国 家工业发展的重点，是一个有良好发展前景的产业。 电液控制系统广泛用于机械、冶金、化工、矿山、航天、运输等领域，其技 术含量较高。 近年来，冶金企业都在不断地进行产品结构调整，相应的生产线也在不断地 升级换代。作为大型冶金企业的包钢，从2 0 0 0 年开始陆续引进国外技术，投产 了薄板坯热连轧生产线和冷轧生产线，这两条生产线大量采用了电液控制技术， 生产效率、产品质量和自动化程度都非常高；但同时，也对系统的运行维护提出 了更高的要求。而作为电液控制系统核心部件的比例、伺服阀的检测、维修，也 就成了运行维护工作的重点。 按现在的维护模式，所有下线的比例、伺服阀均返原厂检测，高昂的检测费 用、冗长的检测周期，无论从运行成本还是满足生产线高强度、连续运转的要求， 都造成了严重的影响。 鉴于此，我们与包头市液压机械有限公司合作，共同开发研制“电液控制系 统试验装置 ，该装置拟采用交流变频、工业控制计算机、p l c 等多项技术，选 用国内外知名品牌的高精度测试仪器。可对比例阀、伺服阀进行快速、准确的离 线检测，该试验装置完成后，对企业降低生产成本、提高生产效率均起到积极作 用。 1 2 课题的目的和意义 电液伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，它品质的好坏直接影响着系统的 工作性能。在电液控制系统中，电液伺服阀既起着电气信号与液压信号间的转换 作用，又起到信号的放大作用，它可以进行位置控制、速度控制和力控制等。按 照国家有关规定，电液伺服阀出厂或维修以后必须进行性能测试和参数调节，以 检验它的质量好坏。伺服阀用量大的使用单位或重要使用场合，用户应设有伺服 阀试验台，以便对新阀性能进行复检，并对使用中的伺服阀定期复检或比较试验。 电液伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，它品质的好坏直接影响着系统的工作 性能。在电液控制系统中，电液伺服阀既起着电气信号与液压信号间的转换作用， 又起到信号的放大作用，它可以进行位置控制、速度控制和力控制等。按照国家 1 北京t 业大学工程硕十学位论文 有关规定，电液伺服阀出厂或维修以后必须进行性能测试和参数调节，以检验它 的质量好坏【i 】。伺服阀用量大的使用单位或重要使用场合，用户应设有伺服阀试 验台，以便对新阀性能进行复检，并对使用中的伺服阀定期复检或比较试验。 目前，电液伺服阀性能测试试验台主要有两种类型：一种是传统的手工测试、 记录类型；另一种是计算机辅助测试( c o m p u t e ra i d e dt e s t 简称c a t ) 类型【2 7 】f 2 3 】。 传统手工测试系统利用按钮、信号发生器、记录仪、示波器等来实现，测试成本 高、结构复杂，测试时受人为因素影响大，测试精度低。随着信号处理技术和计 算机技术的发展，出现了一种新型的测试系统，即c a t 系统，是建立一套计算 机数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压 力、流量、转速、温度等参数进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试 验过程中，计算机还可以根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制， 达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而高速、高精度地完成 对液压产品的性能测试。该系统利用计算机编程、数据处理技术代替传统的手工 数据处理方法，测试部分操作简单，提高了测试的精度。 1 3 液压c a t 技术的特点和应用 1 3 1 液压c a t 技术的发展 自六十年代以来的二十多年中，电子技术飞速发展，大规模集成电路的出现、 数字化仪表的大量应用、数字计算机的推广和使用等，在此基础上，国外己有了 以计算机为主体的自动测试系统。随着计算机的广泛使用，液压测试已开始采用 c a t 技术。7 0 年代初，美国、德国、日本等国已相继应用微处理器配套专用设 备对伺服阀进行调试和数据处理。7 0 年代后期国内己开始这方面的开发研列2 6 1 。 国内己有许多高等院校及科研单位正在进行液压c a t 的研究工作，并在液压工 作的测试中得到一定应用。我国己经研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助 测试系统，如机械部北京自动化研究所研制的液压元件计算机辅助测试系统，该 系统可完成阀和泵的性能测试；北京理工大学研制的液压泵( 液压马达、液压泵 一液压马达传动系统) 工作特性的计算机辅助试验系统；上海交通大学及昆山液 压件厂共同研制的液压阀特性实验系统等等。在一些测试系统中，计算机不仅是 数据采集和处理的中心，而且完成控制试验条件、补偿传感器的非线性、安排试 验程序、完成输出特性曲线及数据文件等工作。 液压c a t 的应用模式，经历了下面四个阶段： ( 1 ) 常规二次仪表+ 单板机+ 汇编语言； ( 2 ) 常规二次仪表+ 专用接口+ 计算机+ 高级( 或汇编) 语言+ 输出设备； ( 3 ) 通用接口+ 微型机系统； 第1 章绪论 ( 4 ) 兼有测试试验数据处理和计算机控制功能的微机系统。 从测试系统的功能看，有两种模式：一是计算机对测试装置进行控制并完成 测试过程数据采集、处理一体化的系统。二是计算机不对测试装置进行控制，只 进行数据采集、信号处理和试验结果输出的系统。 1 3 2 液压c a t 技术的构成及特点 1 3 2 1 液压c a t 系统的硬件 液压c a t 的硬件系统主要完成数据采集和通讯的任务，包括计算机、传感 器及信号调理装置、输入一输出接口等。 ( 1 ) 计算机 传统的液压c a t 采用单片机，而现有c a t 系统的主机以工控机为主【4 l 。工 控机的微处理器c p u 速度不断提高，极大地提高了测试系统的数值处理能力。 ( 2 ) 传感器 把各种物理信号转换成电信号的器件称为传感器。传感器的类型有很多，如 测量温度的传感器有热电偶、热敏电阻等；测量机械位移的有电感位移传感器、 光栅位移传感器等；此外，又不断涌现出新的传感器，如光纤传感器。现已实现 的传感信息量有力、温度、线位移、角位移、加速度、液位、扭矩、应变等。如 今，传感技术向集成化、多功能化、智能化方向发展。现在己经能够把敏感元件、 信号处理电路以及电源部分集成在同一基片上，从而使检测及信号处理一体化。 在液压技术范畴内，所要测量的物理量一般是压力、流量、力、扭矩、位移、 转速、速度、加速度、噪声和温度等非电物理量。在这些测量中通常是通过某些 物理效应，将非电量转换成电量，然后，再进行放大、转换、显示记录或控制。 ( 3 ) 输入一输出接口 数据采集是指将温度、压力、位移等模拟量采集、转换成数字量后，再由计 算机进行存储、处理、显示或打印的过程。随着计算机技术的飞速发展和普及， 数据采集也迅速的得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺 参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量和降低产品成本提供信息和手段。 在科学研究中，应用数据采集系统可获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程 的有力工具，也是获取科学奥秘的重要工具之一。总之，不论在哪个应用领域中， 数据采集预处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件 下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的 要求。 数据采集的关键在于将传感器输出的电信号送入计算机，沟通计算机与传感 北京工业大学工程硕士学位论文 器的桥梁就是输入接口。输入接口包括模拟量输入和开关量输入。计算机的输出 接口包括模拟量输出，定时计数器输出及数字量输出。随着刀d 和d a 转换技 术、放大器、抗混淆滤波器及信号波形处理技术的进步，插入式数据采集卡 ( d a q ) 采样速率达到1 g s s ，精度高达2 4 位，通道数高达6 4 个，并能任意结 合数字i o 、模拟输入输出和计数器定时器通道。 ( 4 ) 总线技术与数据采集技术相联系是计算机总线技术【1 5 1 。测试领域过去 一般采用工业标准总线( s 认) 。它是一种8 位或1 6 位非同步数据总线，工作频 率为8 m h z ，数据传输率在8 位时为i m b s ，1 6 位时为z m b s 。随着计算机技 术的发展，s i a 总线的计算机能力和通信能力的差异日益悬殊。基于s i a 的数据 采集卡和其它设备等待处理时间，然后发出中断，等待响应。在一个s i a 总线 f o 周期，1 2 m h z 时只有几个等待状态，而在p e n t i u m 处理器的2 0 0 m h z 时则需 要1 0 0 至2 0 0 个等待状态，这在处理速度上大大降低了整个系统的性能。在当今 多任务的操作环境下，显然是不合适的。外围设备接口总线( p c i ) 是一种同步 的独立于c p u 的3 2 位6 4 位局部总线，最高工作频率为3 3 m h z ，数据传输率为 3 1 2 m b s 。p c i 总线支持无限读写突发方式，p c i 总线上的外围设备可与c p u 并 行工作，从而提高了整体性能。p c i 总线还为p c 机平台带来了真正的即插即用 功能。以p c i 总线为基础的数据采集系统，大大提高了数据采集率。此外，在通 用仪器总线( g p i b ) 之后诞生的v x i 仪器总线、p x i 总线，在计算机辅助测试 系统中也得到了日益广泛的应用。 1 3 2 2 液压c a t 系统的软件 c a t 软件和c a d 软件一样，具有系统软件、支撑软件和应用软件。关于系 统软件和支撑软件的形式和选择原则，可以依据c a d 相仿的思想确定。一般提 到的c a t 软件就是指应用软件，因为应用软件是为某一领域而研制的应用软件， 故液压c a t 软件就是液压领域的应用软件。液压c a t 系统的功能就确定了液压 c a t 软件的设计要求，c a t 作用的发挥主要取决于软件的性斛3 3 1 。c a t 软件主 要完成实验数据的采集和处理，硬件系统完成现场数据采集，软件则将硬件采集 的数据通过数据采集输入计算机，存储到外部设备保存起来，并可随时供数据处 理程序提取进行处理。软件的数据处理部分则要完成特性值计算、打印、绘图等 功能。有的c a t 系统中的软件还具有控制液压参量( 如：温度、压力、流量) 的功能。 c a t 软件的一般设计内容是： ( 1 ) 测试系统应满足测试项目、内容，实验方法的要求，它们应符合有关 标准，实验结果应满足精度要求。 第1 帝绪论 ( 2 ) 如需要系统能控制液压参量，因此需要设计相应的采控软件。 ( 3 ) 数据采集和处理的功能指的是性能参数的计算、特性曲线的拟合实验 数据的建模、误差分析等。 ( 4 ) 测量传感器的标定方法应根据测量精度的要求，进行联机标定后进行 非线性校正。 ( 5 ) 有多种形式的输出结果、屏幕显示、打印、绘图、数据文件管理等。 传统的液压c a t 采用汇编语言，或汇编语言与高级语言( b a s i c 、c ) 混合 编程。要编制出一个图文并茂、界面友好的测控软件，要花费相当的人力和时间， 并且对编程人员技术水平要求较高。目前，很多已采用v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、 d e l p h i 等可视化编程语言环境进行编程，大大缩短了测控软件的开发时间。很多 数据采集卡厂商也不失时机的推出了其产品在v b 、v c 下的免费驱动程序，把 底层的、复杂的硬件编程细节隐藏起来，为用户提供一个便于理解的接口，使得 数据采集和控制工作更加容易。 1 4 论文的主要内容 论文的主要内容是电液伺服阀的特性分析，伺服阀试验系统的方案设计、试 验数据的采集、处理及分析。系统的方案设计主要是液压系统的设计以及主要液 压元件的选择；试验数据的采集与处理是对采集处理后的特征曲线进行分析。 论文具体章节安排为：第一章，序论，概述了课题的研究目的和意义以及发 展现状；第二章，伺服阀的组成和性能指标；第三章伺服阀的特性分析；第四章， 试验系统方案设计，主要是液压系统的设计；第五章，试验数据采集与处理；第 六章，通过获得的特征曲线对本次电液控制系统试验装置的评价；第七章，结论。 北京丁业大学工程硕七学位论文 第2 章伺服阀的组成和性能指标 2 1 伺服阀组成 电液伺服阀通常由力矩马达( 或力马达) 、液压放大器、反馈机构( 或平衡 机构) 三部分组成；力矩马达或力马达的作用是把输入的电气控制信号转换为力 矩或力，控制液压放大器运动【3 1 。而液压放大器的运动又去控制液压能源流向液 压执行机构的流量或压力。力矩马达或力马达的输出力矩或力很小，在阀的流量 比较大时，无法直接驱动功率级阀运动，此时需要增加液压前置级，将力矩马达 或力马达的输出加以放大，再去控制功率级阀，这就构成二级或三级电液伺服阀。 第一级的结构形式有单喷嘴挡板阀，双喷嘴挡板阀、滑阀、射流管阀和射流元件 等。功率级几乎都是采用滑阀。在二级或三级电液伺服阀中，通常采用反馈机构 将输出级( 功率级) 的阀芯位移、或输出流量、或输出压力以位移、力或电信号 的形式反馈到第一级或第二级的输入端，也有反馈到力矩马达衔铁组件或力矩马 达输入端的。平衡机构一般用于单级伺服阀或二级弹簧对中式伺服阀。平衡机构 通常采用各种弹性元件，是一个力一位移转换元件。伺服阀输出级所采用的反馈 机构或平衡机构是为了使伺服阀的输出流量或输出压力获得与输入电气控制信 号成比例的特性。由于反馈机构的存在，使伺服阀本身成为一个闭环控制系统， 提高了伺服阀的控制性能。 本次实验选用的4w s e2e d1 6 2 ) ( 1 5 0b 8e t3 1 5k 9 e v 型伺服阀，4w s e 2e d1 6 - - 2 x 1 5 0b 8e t3 1 5k 9 e v 型阀为电驱动，2 级伺服方向阀，其基本组成 部分： 其基本组成部分： 带永久磁铁控制马达( 2 ) 的第一级( 1 ) 和设计成喷嘴挡板阀的液压放大器 ( 3 用于控制主流量的第2 级( 4 ) 先导控制为喷嘴挡板式放大器【4 。当力矩马 达( 2 ) 不运行时，扭管( 5 ) 使挡板( 6 ) 和电枢( 7 ) 处于中位。改变力矩马达 ( 2 ) 的线圈( 8 ) 的电输入信号，则产生一个扭矩作用与电枢( 7 ) 。这样，挡 板( 6 ) 从喷嘴( 9 ) 之间的中间位置移动。由此产生的压差作用于控制阀芯( 1 0 ) 的端面。由于压差的作用，控制阀芯改变其位置。 4w s e2e d1 6 除了阀芯位置的机械反馈，阀芯位置被一个感应式位移传感 器( 1 3 ) 所测量。阀闭环控制回路的藕合，位移传感器系统的供电合第一级的控 制都由阀中的内置放大器( 1 2 ) 实现。 电源电压：正负1 5 v 给定信号：正负l o v ；可选择正负l o m a 实际信号：正负1 0 v 如果电源故障，阎芯位置的机械反馈可确保主级的阀芯位置被置于阀芯名义 行程的1 0 。 可 l - 控制马逃2 力矩马达3 一液压放大器4 阀体5 一扭管6 挡板7 电椒8 线圈 皿喷嘴1 0 阀芯1 1 - 摆杆1 2 内置放丈器1 3 - 位移传感器 图2 - 14w s e2e d1 6 - 2 x 1 5 0b 8e t3 1 5k g e v 型伺服阀组成 f i 9 2 i t h ec o m p o s i t i o no f 4 w s e2e d l 6s e r v ov a l v e 2 2 伺服阀性能指标 电液伺服阀性能指标主要包括静忐性能参数和动态性能参数。 2 22 静态- 陛能参数 1 滞环 在正负额定电流之问，以动态不起作用的速度循环时，产生相同的输出流量 的两电流之最大差值与额定电流的百分比成为滞环，一般规定滞环。 2 分辨率 分辨率彳j 零位正向、零位反向和零外i f 向、零外反向分辨率之分。 北京t 业人学- t 程硕上学位论文 零位分辨率是在工作油口关闭下做出的，在额定供油压力下，输入一微小电 流使a 、b 口的压力相等；若继续以相同方向缓慢增加微小电流，使两平衡的工 作压力发生变化所需的电流增量与额定电流的百分比称为零位正向分辨率；若以 反向缓慢输入电流，使压力发生变化所需的电流增量与额定电流的百分比称为零 位反向分辨率。零外分辨率是在工作油e l 开启下做出的，在的规定信号值下，使 阀的输出流量继续变化所需的电流增量与的百分比称为零外正向分辨率：而使阀 的输出流量反向所需的电流增量与的百分比则称为零外向分辨率。 3 线性度 公称流量曲线与公称流量增益线的最大偏离值与额定电流的百分比称为线 性度，一般要求线性度高于7 5 。 4 对称度 公称流量增益之差与两极性公称流量增益较大者的百分比为对称度，一般要 求对称度高于1 0 。 5 零偏 虽然在规定试验条件下已调好了伺服阀的零点，但经过一段时间后，零点要 发生变化，这是由于阀的结构尺寸、组件应力、电磁性能、流力特性等可能发生 微小变化，从而使输入电流为零时输出流量不为零。为使输出流量为零，必须预 置某一输入电流即零偏电流。所以，把使阀回归零位所需的输入电流值，减去零 位反向分辨率电流值的差值与额定电流的百分比称为零偏。一般要求零偏小于 3 。 6 零漂 伺服阀是按试验标准在规定试验条件下调试的，当工作条件( 供油压力、回 油压力、工作油温、零值电流等) 发生变化时，阀的零位发生偏移。压力、温度 等工作条件变化引起的零偏电流变化量与额定电流的百分比称为零漂。因此零漂 又分为压力零漂和温度零漂；压力零漂又分进油压力零漂和回油压力零漂。 以上性能参数中，以滞环，分辨率和零漂最为重要。 2 2 3 动态特性 通常用频率特性表示阀的动态特性，即以频宽作为阀的动态性能参数。从阀 的频率特性可直接查出幅频宽和相频宽。二者的值一般不一致，应以其较小者作 为频宽值。 通常，力矩马达喷嘴挡板式两级伺服阀的频宽1 0 0 3 0 0 之间，动圈两级滑阀 式伺服阀的频宽在3 0 7 0 之间。新型的高频伺服阀频宽可达2 5 0 甚至更高。也有 的伺服阀用阶跃响应表示其动态特性，由阶跃响应曲线可直接查出超调量、过渡 第2 章伺服阀的组成和性能指标 过程时间、飞升时间和振荡次数这些时域指标。时域性能参数比频域性能参数更 为直观。 北京工业大学工程硕十学位论文 第3 章电液伺服阀的特性分析 电液伺服阀是电液伺服系统中的关键组件，由于电液伺服阀是复杂而又精密 的伺服组件，了解它的特性和性能参数是十分必要的。其性能参数非常多，要求 也非常严格，所以伺服阀的精确特性和性能参数只能通过试验获得。电液伺服阀 的特性包括静态特性和动态特性两方耐1 6 】。主要的静态特性有负载流量特性、 空载流量特性、压力特性和内泄漏特性；主要的动态特性有：频率响应特性和阶 跃响应特性。此外，因为伺服阀经常在零位区域工作，所以零区特性特别重要。 电液伺服阀的零区特性有零偏和零漂特性、零点域值和分辨率。 3 1 电液伺服阀的静态特性 电液伺服阀的静态特性一般包括压力流量特性( 负载流量特性) 、空载流量 特性、压力特性( 压力增益特性) 、内部泄漏特性等【2 0 】。 3 1 1 压力流量特性 压力流量特性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， 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。伺服阀静态情况下的传递函数为 立= 一三茎! 垒 p t( 疋+ x r + b ) k i ( 3 1 ) 式中，一阀芯位移； e 2 阀电流； k ，力矩马达的中位电磁力矩系数和放大器的放大倍数； 尺c ，是双喷嘴轴线和力矩马达衔铁轴线、滑阀轴线的距离； 厨反馈杆的刚度。 力矩马达的静态电压平衡方程为 2k ge g = ( + y p ) i c 式中，卜阀控制电流。 由此可得，在静态下 ( 3 2 ) 第3 章电液伺服阀的特性分析 x v 一南 3 ， 将式( 3 3 ) 代入滑阀放大器的综合特性方程，即可求得伺服阀的压力流量 特性方程 啉w 南 蝴i c ( 3 4 ) 式中只，竹一分别是供油和回油压力； 形滑阀的面积梯度； g ，q 一流量系数和流量； p 油液密度； 蜀流量放大倍数。 其中，k s = k , 仔+ 6 夕阿是伺服阀的滑阀位移砩对输入控制电流如的增益， 且在只为定值，不同阀开口情况下，可得一簇负载流量随负载压差变化曲线。 如图2 1 所示。 3 1 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成回环状的函数曲线， 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 流值之间变化，同时输出流量作相应变化所描绘出来的连续曲线【3 3 1 。流量曲线 中点的轨迹成为名义流量曲线。这是零滞环流量曲线。阀的滞环通常很小，因此 可以把流量曲线的任一侧当作名义流量曲线使用。流量曲线上某点或某段的斜率 就是阀在该点或该段的流量增益，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曲线，两个极性的名义流 量增益曲线斜率的平均值就是名义流量增益。 流量曲线非常有用，它不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益， 而且从中还可以得到阀的线性度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。 空载流量曲线是供油压力只为恒值，负载压差a p l = o 时，输出流量q l 与控制 电流如之间的关系。 流量特性方程为： q v w 壶廖 5 ， 北京t 业人学丁程硕上学位论文 q 1 1 卸l 图3 - 1 负载流量特性曲线 f i g 3 - 1l o a df l o wc h a r a c t e r i s t i cc u l n e 幺。 i 一 l c 图3 2 空载流量特性曲线 f i g 3 2u n l o a d i n gf l o wc h a r a c t e r i s t i co i l n e 由于伺服阀存在滞环及饱和的现象，因此，实际流量特性曲线如图2 2 所示。 流量增益表明静态滞后的宽度、线性度、对称性，最重要的是它能揭示出零位特 1 2 第3 章电液们服阀的特性分析 性的类型( 如零开口、正开口、负开口) 。 3 1 3 压力特。性 压力特性曲线是输出流量为零时( 两个负载油口关闭) ，负载压降与输入电 流成回环状的函数曲线，负载压力对输入电流的变化率就是负载压力增益。伺服 阀的压力增益通常规定为最大负载压降的士4 0 之间。 伺服阀的压力特性是指在供油压力只为恒值，负载通道封闭，即q l o 时， 负载压差a p l 与控制电流f c 之间的关系。由于压力特性与泄漏有关，通常通过 实验测定，压力特性曲线如图3 3 所示。这条曲线有很陡的斜率，并且当信号为 全程电流的- d , 部分时就很快达到饱和。当希望伺服阀具有较大的压力灵敏度， 特别是希望以很小的误差去克服负载影响时更是这样，压力灵敏度低表示零位泄 漏量大，配合情况不好，从而伺服系统的性能变得缓慢而迟钝。 卸 | 纩一 t i ： 图3 - 3 压力增益特性曲线 f i g 3 3p r e s s u r eg a i nc h a r a c t e r i s d cc u r v e 3 1 4 内部泄漏特性 在电液伺服阀输出流量等于零，供油压力p s 为常数的情况下，其回油口流 出的流量q r 与控制电流如间的关系。内部泄漏特性随输入电流而变化，当阀处 于零位时为最大【1 7 】。零位泄漏流量对于新阀可作为滑阀制造质量指标，对于旧 阀可反映其磨损情况。内部泄漏特性曲线如图3 4 所示。 北京1 二业人学t 程硕上学位论文 图3 4 内泄漏特性曲线 f i g 3 - 4i n t e r n a ll e a k a g ec h a r a c t e r i s t i cc 1 , 1 1 v e 3 1 5 电液伺服阀的静态特性指标 伺服阀的静态特性指标主要有： ( 1 ) 灵敏度 它等于单位输入量的变化所对应的输出量的变化，或输出量的增量所对应的 输入量增量之比。 ( 2 ) 线性度 它表示实测的静态特性曲线与理想的拟合直线接近的程度，也可以说是输出 量与输入量之间保持一定比例关系的程度。 ( 3 ) 滞环 当输入量变化一个工作循环，即由零逐渐增大到正的最大值或正额定值后， 又逐渐减小到零，再由零减小到负的最大值或额定值后，又逐渐增加到零这样一 个工作循环，测出输出量随之变化的情况。 ( 4 ) 死区 指的是有输入信号而无输出时的范围，可用此输入信号范围的大小来衡量， 也可用此范围与额定输入信号范围之比的百分数来表示。 ( 5 ) 重复度 指在相同的测量条件下，输入量按同样方向在全量程范围内做多次工作循环 时，测量系统重复输出值的能力。 第3 章电液伺服阀的特性分析 3 2 电液伺服阀的动态特性 伺服阀的动态特性通常用频率响应特性或阶跃响应特性来表示【2 1 1 。 3 2 1 频率特性 一个常系数线性系统的动态特性，可以用脉冲响应函数h ( t ) 来描述。若系 统的输入信号为x ( t ) ，那么系统的输出： y ( t ) 习( ( t ) ( t ) ( 3 6 ) 若系统的输出是有界的，也就是说系统是稳定的。同样，若常系数线性系统 在物理上稳定且可实现，则系统动态特性可由频率响应函数来描述。 盼器 7 ， 即系统的频率响应特性等于输出信号的傅里叶变换与输入信号傅里叶变换 之比，用复数极坐标形式表示为 h ( f ) = i h ( f ) ip 一一，) ( 3 8 ) 图3 5 频率特性曲线 f i g 3 5f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc u r v e 其中h ( f ) 称为幅频特性，中由( f ) 称为相频特性。当输入为正弦激励信 号时，稳态输出信号与输入信号的振幅比随频率的变化就是幅频特性，稳态输出 信号与输入信号之间的相位差随频率的变化就是相频特性【2 2 1 。幅频特性和相频 1s 北京- t 业人学t 程硕上学位论文 特性是在频域衡量系统动特性的两项主要指标。图3 5 为电液伺服阀频率特性曲 线，其中横坐标代表频率变化，纵坐标代表幅值或者相位的变化。 3 2 2 阶跃响应特性 阶跃响应是在额定压力下，负载压力为零时，输出流量对输入阶跃电流的跟 踪过程，如图3 - 6 所示。 o7 o 6 o 。5 图3 石阶跃响鹿特性曲线 f i g 3 - 6 s t e pr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 根据阶跃响应曲线可以确定超调量、过渡过程时间和震荡次数等时域品质指 标。时域性能参数比频域性能参数更加直观，但测量精度要比频率响应低。这是 因为，测试频率特性时，被控对象是在稳态情况下测量的；而测试阶跃响应曲线 时，则发生在过渡过程状态，因此，外来的随机干扰对测试阶跃特性的影响要比 对频率特性测量结果的影响大的多【1 3 】。通过适当的选择输入振荡的幅值，有可 能得到足够大的被控参数的波动，使测量仪器的误差对实验结果的影响减少。在 测试阶跃响应曲线时，仪表的测量误差对响应曲线的起始段影响较大，而起始段 往往是计算参数最重要的部分。 3 3 零位特性 伺服阀的零位是指空载控制流量为零的几何零位( 位置) ：零位区域是输出 级的重叠对流量起主要影响的区域。 零位特性主要的指标有： ( 1 ) 零偏 使阀处于零位所需输入电流( 电压) 对额定电流( 电压) 之比，用百分数表 j f 0 d o o o 墓置 第3 章电液f u j 服阀的特性分析 示。零偏值可以通过专门的试验获得，也可以通过对压力增益或空载控制流量试 验的实验数据进行分析处理得到。 ( 2 ) 零漂 工作压力、回油压力、温度等工作条件变化引起的零偏电流的变化，以额定 电流百分数表示。零漂试验要得到工作压力零漂( 图3 7 ) 、回油压力零漂( 图 3 - 8 ) 、温度零漂( 图3 9 ) 三条曲线。 jl 色 = v 垂囊 聍 供油压力( m p a ) r 一 图3 7 零偏与供油压力的关系 f i g 3 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nz e r o - b i a sa n dc h a r g e o i lp r e s s u r e 砖 jl 色 至 、_ ， 鋈；萋| 呱 厂 暇 - p 回油压力( m p a ： 图3 8 零偏与回油压力的关系 f i g 3 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nz e r o - b i a sa n ds p i l lp r e s s u r e 北京t 业大学工程硕1 ：学位论文 日 ji 垒 、一， 薹囊 n 运 - 一 油液温度 = 起点 图3 - 9 零偏与油液温度的关系 f i g 3 - 9t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nz e r o - b i a sa n do i lt e m p e r a t u r e 1 8 第4 章试验系统方案设计 根据电液伺服阀的特性指标，本章重点讲述了电液伺服阀试验系统方案设 计，主要内容包括试验系统的总体技术参数与要求，试验标准，液压系统，阀件 的测试步骤等。由于该实验装置是新研制出来的，为了验证本套测试装置是否可 行，我们选择了力士乐公司一种常见型号的新伺服阀作为研究对象，来完成本论 文伺服阀试验系统的方案设计。 4 1 试验系统的总体技术参数与要求 4 1 1 被测阀主要参数 表4 - 14w s e2e d1 6 - - 2 x 1 5 0b 8e t3 1 5k 9 e v 伺服阀主要技术参数 t a b l e4 - 1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e ro f 4w s e2e d1 6 - - 2 x 1 5 0b 8e t3 1 5k 9 e vs a v ov a u l t 技术参数概述 环境温度范围( )- 3 0 + 6 0 ( 带内置放人器的阀) 反馈系统机械和电气 工作压力( b a r ) 油口a ，b ，p ，x3 1 5 回油压力，油口tb a r 压力峰值 1 0 0 ，静态 ，7 5 压力增量住阀芯行程变化1 ( 从零开始) 对p8 0 控制阀芯行程( m m ) 0 9 滞环( 颤振优化) ( )0 5 反向优化( 颤振优化) ( )0 2 灵敏度( 颤振优化) ( ) 0 1 零点偏移： 油液、温度变化 2 0 6k1 2 环境温度变化 2 0 。k 0 5 工作压力变化1 0 0 b a r l 同油压力( 0 至1 0 的9 ) 0 5 北京t 业人学t 程硕十学位论文 选用我们薄板厂轧机系统常用的型号为4w s e2e d1 6 - - 2 x 1 5 0b 8e t3 1 5 k 9 e v 伺服阀，该阀的主要技术参数如表4 1 所示。 4 1 2 阀试验要求 1 ) 稳态特性试验结果应以图形方式表达； 2 ) 应使用信号发生器提供各种可变连续输入信号，并用计算机记录由传感 器测得的压力、温度和流量； 3 ) 手动改变输入信号时，应逐点记录伺服阀的流量和压力响应； 4 ) 计算机应能将流量和压力传感器的输出信号及伺服阀的输入电流信号调 整为合适的比值，并使线轨迹在图面上对中。 5 ) 除信号发生器外，还应提供便于设定伺服阀和仪表的带转换开关的人工 控制输入装置； 6 ) 应提供无需借助于开关就能提供正信号和负信号的自动发生器和人工控 制器。 4 2 试验标准 为使试验结果具有同一性和可比性，应在规定的标准试验条件下进行伺服阀 的各项试验。标准试验条件是指伺服阀试验方法标准( g b ) 中所规定的通用试 验条件。根据中华人民共和国国家标准一电液伺服阀试验方法1 9 1 _ c b t 1 5 6 2 - - 3 1 9 9 5 ，标准试验条件为： 1 ) 环境温度：2 0 士5 ： 2 ) 油液类型：矿物基液压油，如h l p 4 6 ： 3 ) 粘度等级：n 3 2 ； 4 ) 油液温度：伺服阀进口温度4 0 士60 c ： 5 ) 供油压力：3 l 。5 m p a ： 6 ) 回油压力：o 5 m p a ； 7 ) 油液清洁度等级：试验用油液的固体颗粒污染等级代号1 3 1 0 - - 1 7 1 4 。 4 3 液压系统 4 3 1 静态特性试验液压系统 如图4 1 所示，电液伺服阀静态特性试验系统由油源、冷却系统、试验系统 组成。 油源用恒压变量泵供油，用溢流阀来调压，为了减少油液压力的脉动，设置 蓄能器。如图4 一l 所示的静态特性试验液压系统由6 个截止阀、2 个流量计、2 第4 章试验系统方案设计 个压力传感器、6 个压力表，1 个恒压变量泵，1 台驱动电机、加上进液过滤器、 回液单向阀以及其它液压附件等组成。压力传感器将信号传给数据采集a d 板， 流量传感器将信号传给数据采集d d 板，再由计算机进行处理。 图4 - 1 电液伺服阀静态试验系统图 f i g 4 1s y s t e md i a g r a mo f s t a t i ce x p e r i m e n tf o re l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e 输入信号是由信号发生器产生的三角波信号，频率为0 0 1 0 0 2 h z ，通过具 有电流负反馈的伺服放大器，以电流信号输往伺服阀线圈【2 3 】。由与阀线圈串连 的1q 精密电阻上取出电压信号，此电压信号是与通过阀线圈的电流成比例的。 伺服阀的输出流量q 由串联在阀负载口a 、b 之间的流量传感器检测，输出与流 量成正比的电压信号。由安装在阀回油路上的流量传感器测量内部泄漏流量。负 2 1 北京工业人学t 程硕i 二学位论文 载口a 、b 处的压力，由压力表和压力传感器测量，输出与压力成比例的电压信 号。 4 3 2 动态特性试验液压系统 电液伺服阀动态特性试验液压系统原理如图4 - 2 所示。 i t 值号童生曩 1 ll e j 图4 2 电液伺服阀动态试验系统图 f i g 4 2s y s t e md i a g r a mo fd y n a m i ce x p e r i m e