优先阀动态特性分析.pdf

液压 液力 优先阀动态特性分析 吉林工 业大学 刘顺安王焕德曾宪权 内容摘要本文采用数字仿真技术 对负荷传感静压转向 系统中的主要元件优 先阀 也 称负荷传感 顺序阀 进行动态性能分析及动 态优化 并且给出了一种较实用的动态优化目标函数 提 出了优先阀动 态响应最优的设计数据 关镇词 优先 阅动 特性 l 概述 现代轮胎式行走机械广泛采用 液压动力转 向装置 目前 这类系统控制部分多由单路稳流 阀和中空式转向阀 转向器 组成 由于单路 稳 流阀向转向回路提供恒定流量 在没有转 向的 待用状态和低速转向时 将有全部和部分多余 的油液经转向阀回油箱 造成很大的功率损失 为克服上 述缺点 目前已出现 了负荷传感静压 转向系统 这类系统如 图 1 一 1所示 主要由负荷 厂厂厂 1 1 11 锚锚锚锚令令令令令令令令令口口口口口口口口口口口日日可可可可可可可 盛盛 r r r尸甘月 月 乙S S S F F F 久久灵灵 负荷 传感转向器 图示 无反应型 供给 由开心门 控制的拍助 油路 圈卜1 负荷传感转向系统 传感转向器和优先阀 也称负荷传感顺序阀 组 成 负荷传感转向系统是目前实用 上 比较优越 的一类转向系统 然而 国内虽然已经研制出类 似的负荷传感控制元件 并已有所 应用 但到目 前为止还未查到对它们的建立在实验基础上的 全面 而 系统的研究资料 所以 为了深入而 全面 地了解 掌握 从而进一步优化 改进该类系统 很有必要对组成该 系统的关键 元件进行分析 为此 本文将运用微机仿真技术对转向系统中 优先阀的动态特性进行分析研究 2 数学模型 2 1 模型中所用符号或参数说明 A 优先阀阀芯端面积 月 l 优先阀的控 制转 向回路的阀口开 口面积 A Z 优先阀的控制工作回路的阀口开 口面积 A A 优先阀阻尼孔面 积 x 弹簧预 压缩量 K 弹簧刚度 K 阀芯运动粘性阻 尼系数 v 阀心运动速度 V 从液压 泵至优先 阀入口腔的管路 和该容腔之 总容积 V l 转 向分流口A 至转向器节流口 A 的管路及相应阀腔总容积 V Z 工作回路分流口 A 至负载节流口 或 恒压负载阀口 间的管路与阀 腔之总容积 V 阀芯轴 向无弹簧腔的容积 vf L 阀芯轴向弹簧腔的容积 V 转 向器节流 口A 至转向负载的管 路 及相关阀腔的总容积 l9 与 众赞 旅漪 衬L勺 石 肠 印 J 飞 扣 卜 刁 岛 T a 又 几 产 c ft L 优先阀油液进口中心线至转向分流 口A 中点的距离 L 优先阀油液进口中心 线至工作回路 分流口 A 中点的距离 c 出流 系数 C 阀口流速 系数 c 系数 且c 二c 燕历 叽 流量系数 P 所用液压油液密度 夕 1一一 转向分流口油液出流角 氏 工作分流口油 液出流角 E 二 与下标 x 有关的作用力 Q 二 一一与下标 二 有关的油液流量 P 与下标 x 有关的油液静压力 OQ x 与下标 x 有关的流量变化量 几 油液的有效容积模量 A J 转向加载节流阀的开口面积 R 铺助工作回路 加载阀动特性系数 八阅 辅助工作回路调定压力 少 2 2 动态数学模型 本文采用经过改进和完善的功率键合图 法 建立优先阀的动态数学模型 优 先阀的系统 原理图如图 2 一 1所示 图 2 一2 是该系统的功率 图 2 一2 优先闷系统的功率镇合图 镶合图 模型中所考虑的因索有 阀芯 弹簧及 阀芯轴向容腔内油 液的等效质量 图示各容腔 及相应油管中油液的可压缩性 弹簧容性元 阀 白的稼态和瞬态液动力 各节流口的液阻 阀芯 粘性摩会 转向负载和工作负载 弹簧预压缩 及 油泵供油等因素 根据功率键合图及有关键 图 视侧 兢可以得到祝先阀萦统的动态数学模型 i 1 2 一 l 汾 v 2 一 2 妙 l I A P l 一 P灯 干ZC厂 月1 户 一 户 eo 夕 1 一 Ze不 2 泣 晶 2一 e 注 1 石而丁石 d 丫芝 一 乡 2 一 二 十 二 一 了 2 一 3 户 一 P v s 场 一 c A 石二又 一 勺早而4 2一 zv e瓦 2 石不 1扮 2一 2 一 渺 1嘛t 森不 一 臼寿瓦 一 c 了 一 一 j 户 一 产 1 一 风 v l 一 石不丽 IP 一 P l 凡二 v a I c 而不又 十CA 找冰砚万 又 一 L 户 一 乙了 一 以 J 探 户 一风 心 A 了 九 一 L 户 一 户 L P 一 PI L 书瓜幻 3 动态性候e e教字仿真 31 仿真程序框图 2 一 6 一 户 刀 2 一 7 图 2 一 1 优先阅系统的原理图 r 模拟控制转向流量节流口 1 模拟转向负载的节流口 模拟工作负载的节流口 2 一 9 开始 数组定维 设 置公用语句区 打开数据卒件 D I 读取动态 方程中的定系数及其它确定参数 调求初值的子 程序 求取给定条件下的状态变量初值 T 二0 输出状态变量初值 输入积分步长H 仿真时问了 所 需记 录的时问间隙了 输入作用参数的终值和斜坡函数的上升时 问 计算输入作用函数 斜坡输 入 调用积分子程序 符合约束杏 使符 合约束 T 7 打开文件 D2 开将计 算结果 写入该文件 结束 图 3 一 l 仿弃程序框图 动态性能的数字仿真主要研究优先阀对阶 跃翰入的响应 其中包括对模拟控制转向流量 节流口面积 A 转 向负载 P 辅助工作负载 P z 的阶跃响应 突然给予输入量一个增量 即输入 一个斜坡作用函数 进行时域仿真 图 3 一 l 所 示为仿真程序框图 X X X X X Q Q Q Q Q Q Q m s m m m 叼 L L L tP l l l l l l l 八一仁共 共 尸 一沪尸工t3 口口口口呼尸 1 V V V V V 甲 忆户一一丫一 图 3 一 2 滩突变时的动态响应仿真曲线 仿真条件 Q 一1 33 3 xlo一 m3 s 八 6义20 一7m2 山 s xlo 一 m 月 1 434 xlo一 smZ 八 人二 1 038xlo 一 m Z P 14 72MPa 斜坡 七升时间o t o一 00 0 155 X X X X X O O O 似10 一MP J 二15甘 32 一6 J卜0 05 排 5 一 二 z z z m m m mJ s l l l 1 1 1 1 1 1 1 二二二二士攀攀 笙 l 二 二一二 二一一二 曰如 如 图 3 一 3 不同工作负玻下的动态晌应仿蕊曲钱 仿 真条件 p 一 其余同图 3 一2 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X产产产产产 尸尸尸尸尸 厂厂厂厂 洲洲洲洲洲 补补补补 P 分分分分 J 喇喇 石石石石 井 一1 11 11 11 1 1 m 圈于4 p 突变时的动态响应仿 X曲线 仿真条件 摊 1 554 x lo 一 m Z Q切 4 86x l0 一 P 由7 s5Mp a 突变到 x 4 7 2Mp a 3 2 仿真结果分析 3 2 1 转向器开度 阀口面积 A 突变时优 一 先阀的动态响应 曲线如图 3 一 2 所示 由图可见 阀口面积 A 突变对工作回路的恒压源基本没 有影响 转向负载压力 p L 和流量Q L 响应时间 较长 上升时间大约 0 1055 但超调量小 因 而 稳定性好 3 2 2 工作负载对优先阀动特性的影响 不同工作负载对优先阀动特性的影响 如图3 一 2 图3 一 3 所示 比较图 3 一 2 图 3 一 3 可以 看出辅助工作压力 P Z 在一定范围内大些 动态 响应快 当压力超过一定值时 就不存在这种关 系了 这个值略大于转 向负载P 由图3 一3 可 知 在工作回路空载的条件下 突然转向大约要 3 5 的时间 所以空载转向慢 工作负载突然变化对优先阀动特性的影 响 如图 3 一 4 所示 当 p 阶跃输入时 阀杆迅速 右移 使 x 增大 阀口 A 关小 A z 开大 以增大 A 口的液阻 补偿 P Z 的增大 转 向流量Q 经 过 一段 短暂的波动后 将达 到某一稳定值 从仿 真曲线可以看出 这个稳定值略小于 P 作用前 的数值 这跟阀杆设计的最大位移量有关 若 阀杆最大位移量 x 设计过 大 则液阻调节补 偿过度 稳 定后的Q 值将 小于 P Z 作用前的数 值 反之 若阀杆最大位移量设计过小 则液阻 调节补偿不 足 稳定后的Q 值将大 于 P 作用 前的数值 经 过单变量寻优 确 定该 阀 被试 阀 的 x n 二 二0 545x10 一Zm 为最佳 X X X X X X XP X10 一 MP a d卜15滋Q二32 E 一6 d X二0 05 E 一2 dV二0 15 E 一2 dr二0 02 2 2 卿卿卿卿 属 分分 荟荟 阿阿阿阿洲洲尹一 一万 一 s 一1 1 1 认心户丫一 一 下下下 圈3 一5 不同转向负载下的动态晌应仿真曲线 仿真 条件 A J 1火1 0 一 5m2 其余条件同图 3 一 2 P xlo 一 M Pa d作15dQ 32 E一6dX 二0 0 5 卜ZV d 二0 15 万 一 2d z司 02 Q不 r n s X m P Q V m s 图3 一 不同转向负吸下的动鑫晌应仿真曲线 仿真条件 A J 5x1 0一m 恶 其余条件同 图 3 一 2 3 2 3 转向负载对优先阀动特性的影 响 不同转 向负载对 动态响应的影响 如 图 3 一 5 图 3 一 6 所示 比较图 可以发现 转向负载越 口面积A 突然减小 时 阀杆迅速左移 使 x 减 大 优先阀系统的响应反 而越慢 所以 在实际使小 阀口 A 增大 A Z 关小 以减小A 口的液阻 用中 应适当考虑控制转向负载的大小 尤其不以补偿由于户 增大而增 大的转 向器阀口 A前 一夕 能让它太大 一般地将它控制在 7MP a 范围内就的压力 P 经过一段时间后 p 和Q 都达 到一 可以满足转向快速性的要求了 因此 优先阀内个稳定值 P乙变化前对应的Q 乙 值与其变化后所 的转 向安全阀的调定 压 力最好不要超过 7M a P 对应的稳定值基本相等 所以 可以认为 在一定 转向负载大小对工作负载无影响 压力范围内 转向负载的突变对优先阀系统的动 转向负载突变对 动态响应的影响 如图特性有护定影响 3 一 7所 示 当转向负载P 突然增大 转向加载阀 X X X X X 介月 O 一 M巧 d P 二15 do绍2 E币dX劝 05 E召沙飞几0 15 E 一Z l t 司 0 2 2 2 沙沙沙沙 一 属 l l l Q l 一一一一尸卜一一一一 l 产尸 二 产产 一协 一一 了 户 t t t t t t t 5 了了了了 1 一 1 11亨l 1 1 1 尸 m m m 知户长户 一 月月 图 3 一7 转向负城突变时的动态响应仿真曲线 仿真 条件 A 0 149只10一 m 月 由 0 lx10 一 m Z 突变到 0 05X 10一 弓m 2 其余条件同图 3 一2 3 2 4 阻尼孔 A A 面积对优先阀系统截 A 和A 的面积如果取值 设计 过大 虽然可 态响应的影响 以提高优先阀系统的动态响应速度 但同时也 本文 根据被试阀的实际结构 也取 A石 增大了幼 和p 曲线的超调量和 稳定时间 如 A 图 3 一 8和图3 一2 是 A 口 和A 取两种不同数 果人 A 设计太小 又会增大 系统的响应时 值时的动态响应仿真 曲线 可以看出 阻尼孔间 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X m m m m m m m Q L L L L L L L J 户口 户2 2 2 少 声产 了产 J 产 一一 了了 了了 厂 I I I I I I I了尸 e e 阵阵阵阵 了 二 一 一 二二 1 1 1 1 1 于 于 到引 J产 l 一 尸 臼山 曰口卜 甲 甲 卜 l 甲 一一 n n n n n n n 丈 找 图3 一 8 不同 A A 值的动态响应仿X曲线 仿真条件 A 一A 2 o9 6x l o 一 m 其余同图 3 一 2 4 动态响应优化 4 1 优化的数学模型 优先阀系统的动态优化数学模型包括 动态优化目标函数 动态数学模型 设计变量的约束条件 目标函数选为 S 亡A E 一 丁 EE E d 4一l 式中 E 误 差 t 时间 l s 仿真时间 选取优先阀芯上的两个固定节流口的面 积 A 和 A 转向器中位节流口面 积 八 优先阀弹 簧刚度 K 作为设计变量 它 们的约束条件为 6X10 一8 A 一A 5X10 一 m Z 4 一 2 5 X10 一 A 6 OXIO 一 7 m Z 4 一 3 4 9X10 3 K 1 172X 10 N m 4 一 4 42 优化结果分析 图 4 一 1 所示为优先阀系统优化响应仿真曲 线 由图可见 响应时间短 超调量小 几乎没有 振荡 接近期望响应 可见本文提出的优化方法 是行之有效的 X X X X X X X 丫 产产产产 一 1 一 1 1 F F F F F冲 一 一一一一 图 4 一 1