冶金閥門(mén)廠(chǎng)家北高科集團(tuán)技術(shù)部整理，影響電液比例溢流型三通減壓閥輸出壓力囚素的數(shù)值分析

摘要：液動(dòng)力、彈簧力、液壓力等內(nèi)部擾動(dòng)影響壓力控制閻的輸出量與控制量的關(guān)系。本文通過(guò)數(shù)值分析非線(xiàn)性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，為定量設(shè)計(jì)分析液壓閥提供一種使內(nèi)部擾動(dòng)影響最小化的新方法。

關(guān)鍵詞：壓力控制閥；非線(xiàn)性系統(tǒng)；數(shù)值分析；內(nèi)部擾動(dòng)影響；最小化

前言

壓力控制閥的輸出量與控制量顯線(xiàn)性關(guān)系是理想的追求，由于存在液動(dòng)力、彈簧力、液壓力等干擾影

響，目前，在解決輸出量與控制量全程范圍內(nèi)顯線(xiàn)性關(guān)系問(wèn)題方面，定性分析對(duì)抑制干擾影響收效甚微。

本文應(yīng)用TK Solver數(shù)值分析非線(xiàn)性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，定量分析該閥控制量（調(diào)節(jié)電流或電壓）、干擾量（先導(dǎo)閥芯及主閥芯所受液動(dòng)力、先導(dǎo)閥芯及主閥芯彈簧力等）對(duì)輸出量的影響程度，通過(guò)調(diào)節(jié)初始參數(shù)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)有效抑制了干擾影響，使輸出量與控制量的線(xiàn)性關(guān)系較為理想。

1 電液比例溢流型三通減壓閥簡(jiǎn)介

應(yīng)用出口壓力直接檢測(cè)反饋和級(jí)間動(dòng)壓反饋原理研制開(kāi)發(fā)的電液比例溢流型三通減壓閥⋯的結(jié)構(gòu)原

理如圖1所示。其工作原理如下：當(dāng)?shù)蚨ǚ糯笃鬏斎穗妷汉�，比例電磁鐵輸出電磁力F肼，此時(shí)閥輸出壓力p^有一個(gè)相應(yīng)值，若因某種干擾使圖l電液比例溢流型三出口壓力降低將引起通減壓閥結(jié)構(gòu)原理先導(dǎo)閥芯向左移動(dòng)，左邊可變節(jié)流口增大，右邊可變節(jié)流口減少，先導(dǎo)閥腔壓力p，及主閥上腔壓力．口：上升，在以上升和P．下降的共同作用下，主閥芯向下運(yùn)動(dòng)，主閥可變節(jié)流口開(kāi)大，致使p^上升，這樣就使輸出壓力n保持在調(diào)定值。當(dāng)輸出壓力p．增大超過(guò)調(diào)定值時(shí)（如p．用于動(dòng)力負(fù)載時(shí)），先導(dǎo)閥芯向右移動(dòng)，先導(dǎo)閥左邊可變節(jié)流口變小，右邊可變節(jié)流口開(kāi)大，致使先導(dǎo)閥腔壓力見(jiàn)及主閥上腔壓力p：下降，主閥芯上移，使進(jìn)油口B與出油口T相通，此時(shí)就相當(dāng)于溢流閥。

2數(shù)學(xué)模型與仿真

建立力平衡方程、連續(xù)方程、動(dòng)量方程、流量一壓力方程組采用Ne叭on．Raphson算法迭代求解。為了提高仿真精度，需要考慮流量系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化¨。。弓形節(jié)流口面積函數(shù)A（Ⅳ力=Ⅳ【譬arccos（1一言）一2（1一言）√吉一（吉）2】圓拱形節(jié)流口濕周長(zhǎng)函數(shù)c，（J7＼r，z）=Ⅳl Darccos（1一箐）一2；√D—zl

雷諾數(shù)m=4∥（C∥）流量系數(shù)方程 fC抽當(dāng)舶≥廊。時(shí)“【后√尺e 當(dāng)如<舶。時(shí)為了避免電磁力L與輸入電壓關(guān)系的影響，分析中用電磁力作為輸入信號(hào)。算法流程如圖2所示。圖2及式中：A，、A”A，分別為先導(dǎo)閥反饋推桿面積、先導(dǎo)閥芯左端面積、先導(dǎo)閥芯右端面積；八髫分別為先導(dǎo)閥芯位移、主閥芯位移；yl、五分別為先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量、主閥彈簧預(yù)壓縮量；％、q分別為先導(dǎo)閥彈簧剛度、主閥彈簧剛度；n為比例電磁鐵輸出電磁力；，h、，h分別為先導(dǎo)閥芯所受彈性力、主閥芯所受彈性力；n、幾、以分別為主閥出口壓力、

主閥進(jìn)口壓力、先導(dǎo)閥腔壓力；％。、，廳R、吒分別為先導(dǎo)閥芯在左、右閥口所受液動(dòng)力，主閥芯所受液動(dòng)力；一。。、A一分別為主閥芯下端面積、主閥芯上端面積；z為拱高；Ⅳ為孔數(shù)；船、船。分別為雷諾數(shù)、臨界雷諾數(shù)；巳、G一分別為流量系數(shù)、紊流時(shí)zui大流量系數(shù)；t，為運(yùn)動(dòng)粘度；C。為濕周長(zhǎng)。圖2算法流程仿真結(jié)果⋯與實(shí)驗(yàn)結(jié)果‘41在額定負(fù)載、負(fù)載流量為O情況下減壓、溢流四種特性誤差均不超過(guò)

4．5％，說(shuō)明所建數(shù)學(xué)模型及方法完全可用于非線(xiàn)性液壓元件的分析研究。

3控制量、干擾量對(duì)輸出量的影響分析

從“壓力取決于負(fù)載”出發(fā)討論分析電液比例溢流型三通減壓閥的控制量、干擾量對(duì)輸出量的影響。先導(dǎo)閥芯力平衡方程ptAF+p|An+F扎=FM+Fb+pIAr+F姆先導(dǎo)閥芯受力面積關(guān)系勺=A—A，主閥芯力平衡方程p_A一+，A=p，A，呻。+，h主閥芯受力面積關(guān)系A(chǔ)利=A一=A聯(lián)解以上4個(gè)方程式得輸出壓力：

”壘!生±墜二幺+![益⋯

2A， 2A由上式可知控制輸出壓力p．的因素有電磁力、先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥芯所受液動(dòng)力、主閥彈簧力和主閥芯所受液動(dòng)力、反饋桿面積、主閥芯上下端面積等因素，各因素對(duì)輸出壓力辦的影響如圖3所示。（-）控制量電磁力對(duì)出口壓力影響情況，·，，N（b）干擾對(duì)出口壓力影響情況A一出口壓力F一電磁力作用產(chǎn)生的出口壓力分量e、s一先導(dǎo)閥、主閥彈性力作用產(chǎn)生的出口壓力分量L、R、曠先導(dǎo)閥左、右閥口、主閥口液動(dòng)力產(chǎn)生的出口壓力分量圖3各因素對(duì)輸出壓力的影響圖3（a）、（b）說(shuō)明電磁力、先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥芯所受液動(dòng)力、主閥彈簧力和主閥芯所受液動(dòng)力對(duì)出口壓力p．的影響情況（負(fù)載節(jié)流閥額定開(kāi)度）。從圖中可以看出：控制量電磁力對(duì)輸出量p^的作用在電磁力lO一90N范圍內(nèi)占60％一80％，液動(dòng)力、彈簧力等內(nèi)部干擾對(duì)輸出量n的作用占40％一20％。如果內(nèi)部干擾對(duì)出口壓力n的影響作用小就可獲得較為理想的出口壓力n一電磁力n的關(guān)系。輸出壓力n主要取決于電磁力，先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力次之。當(dāng)先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力上升時(shí)，先導(dǎo)閥彈簧力、先導(dǎo)閥左閥口液動(dòng)力所產(chǎn)生的出口壓力分量下降，部分抵消了先導(dǎo)閥右閥口液動(dòng)力對(duì)出口壓力的影響作用。由于主閥芯上下端面積較大，液壓力起主導(dǎo)作用，主閥彈簧力和主閥芯液動(dòng)力對(duì)出口壓力影響較小，且變化很小。

在應(yīng)用中可選擇不同參數(shù)組合仿真尋求*效果，也可以從干擾因素變化對(duì)輸出量的影響規(guī)律中求

取*設(shè)計(jì)參數(shù)，這還有助于加深對(duì)各干擾量作用度的了解。

4 內(nèi)部干擾對(duì)輸出影響規(guī)律分析

先導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量E對(duì)出口壓力影響如圖4所示。先導(dǎo)閥預(yù)壓量增加lmm，出口壓力p．上升近2MPa，其作用效果與電磁力相似。第12期姜福祥等：影響電液比例溢流型三通減壓閥輸出壓力因素的數(shù)值分析·lOl· 對(duì)出言銎凳毳磊嘉琶專(zhuān)嘉：：F葺硼對(duì)出口壓力影響如圖5所30卜-寸=王擊i右制

示，由于直接反饋的原因先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔磁力關(guān)系曲線(xiàn)

中心距差D。對(duì)出口壓力影響原因是：左右節(jié)流孔流量相等，而先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孑L中心距差D，決定左右節(jié)流孔通流面積比（液導(dǎo)比），從而改變左右節(jié)流孔液動(dòng)力差值，這樣就對(duì)出口壓力產(chǎn)生影響。先導(dǎo)閥液動(dòng)力的影響由于是兩者之差，若能基本保證兩者差值基本不變，先導(dǎo)閥液動(dòng)力對(duì)出口壓力p^一電磁力L關(guān)系的線(xiàn)性程度影響就很小。圖7為一定電磁力下，輸出壓力與先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差D，的關(guān)系曲線(xiàn)。圖8為先導(dǎo)閥液動(dòng)力與先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差D，關(guān)系曲線(xiàn)（“=20N）。圖7先導(dǎo)閥節(jié)流邊距與孔中心距差與輸出壓力的關(guān)系曲線(xiàn)

5結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用TK solver數(shù)值分析非線(xiàn)性電液比例溢流型三通減壓閥的輸出量受控制量和干擾量的影響，仿真

的精度高，能夠滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用中選擇不同參數(shù)組合仿真尋求*效果，也可以從干擾因素變化對(duì)輸出量的影響規(guī)律中求取*設(shè)計(jì)參數(shù)，這還有助于加深對(duì)各干擾量作用度的了解。該方法為閥的設(shè)計(jì)分析提供了一種新方法。

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（1）采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，即只進(jìn)行壓力參數(shù)的

實(shí)時(shí)檢測(cè)，而不反饋控制，摩擦壓力的相對(duì)誤差為11．23％，變異系數(shù)為0．57％；頂鍛壓力的相對(duì)誤差為8．52％，變異系數(shù)為O．42％。

（2）采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，摩擦壓力的相對(duì)誤差為0．54％，變異系數(shù)為0．06％；頂鍛壓力的相對(duì)誤

差為O．3l％，變異系數(shù)為0．02％。由統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可知：采用閉環(huán)控制，軸向壓力值的準(zhǔn)確性及離散性均比開(kāi)環(huán)控制小一個(gè)數(shù)量級(jí)，表明所研制的閉環(huán)控制系統(tǒng)具有軸向壓力穩(wěn)定、誤差小、重現(xiàn)性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。目前該系統(tǒng)已在127mm石油鉆桿的修復(fù)與生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

4結(jié)論

（1）基于電液比例技術(shù)的摩擦焊計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軸向壓力的閉環(huán)控制，壓力控制精度高，重現(xiàn)性好，參數(shù)調(diào)節(jié)方便，軸向壓力控制的相對(duì)誤差小于l％，變異系數(shù)接近0。

（2）該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速，軸向壓力、軸向位移、的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)繪制實(shí)時(shí)變化曲線(xiàn)，并顯示原始數(shù)據(jù)，方便對(duì)焊接件進(jìn)行長(zhǎng)期質(zhì)量跟蹤分析。

（3）所編制的winndows2000平臺(tái)上的摩擦焊計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制軟件，界面豐富，功能齊全，人機(jī)交互

友好。

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作者簡(jiǎn)介：朱海（1967一），男，副教授，現(xiàn)主要從

事材料成型與過(guò)程控制方面的科研與教學(xué)工作。：收稿日期：2007一04—03

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兩腔壓力可控,從而使泵控系統(tǒng)達(dá)到和閥控系統(tǒng)相當(dāng)?shù)墓逃蓄l率.這種改進(jìn)型作動(dòng)器稱(chēng)為EHCA（Electro-Hy-draulic Compound regulating integrated

Actuator）.針對(duì)存在的相乘非線(xiàn)性控制問(wèn)題,通過(guò)分析EHCA和總壓力控制閥的工作原理,設(shè)計(jì)了基于線(xiàn)性化方法的滑�？刂破�,并分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速和變

量泵排量在不同工況下的控制量大小配合問(wèn)題.分析和仿真證明,該設(shè)計(jì)思想是有效實(shí)現(xiàn)率、節(jié)能和快響應(yīng)的電液組合作動(dòng)器方案.

2.期刊論文姜福祥.郁凱元電液比例三通溢流型減壓閥先導(dǎo)液橋設(shè)計(jì) -液壓與氣動(dòng)2008,""（7）

建立電液比例三通溢流型減壓閥數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用數(shù)值分析仿真結(jié)果和樣品實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,數(shù)值方法能有效地解決液壓系統(tǒng)的非線(xiàn)性問(wèn)題,直觀(guān)地反映參數(shù)變化對(duì)性能的影響.為準(zhǔn)確選取參數(shù),縮短設(shè)計(jì)周期,降低研發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo),提供一種數(shù)值分析設(shè)計(jì)方法.

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