同步閥瞬態(tài)響應(yīng)的累計誤差分析

費 燁，霍東東，楊 妍

（沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

同步閥又稱分流集流閥，在液壓系統(tǒng)多執(zhí)行元件同步開環(huán)控制中得到廣泛應(yīng)用[1～2]。文獻(xiàn)[3]通過對同步閥分流工況建模求解，發(fā)現(xiàn)兩執(zhí)行元件偏載壓差、過閥流量均影響其同步精度，文獻(xiàn)[4]對同步閥的靜態(tài)分析得到了相類似結(jié)論。文獻(xiàn)[5]對同步閥同步精度影響因素進(jìn)行了仿真分析，文獻(xiàn)[6]以體積最小、同步速度誤差最小為目標(biāo)對同步閥結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。但上述研究多關(guān)注同步閥動態(tài)響應(yīng)后的流量穩(wěn)態(tài)誤差，即執(zhí)行元件的速度差，而同步閥作為有內(nèi)部反饋機(jī)制的流量分配閥，其響應(yīng)過程中出口流量對時間積分產(chǎn)生動態(tài)誤差，導(dǎo)致兩執(zhí)行元件無法保證位置同步。文獻(xiàn)[7]、[8]注意到了這一點，但并未給出定量研究。這種流量累計誤差導(dǎo)致兩執(zhí)行元件位移差，使執(zhí)行元件產(chǎn)生附加的形變應(yīng)力，高壓長行程時會造成結(jié)構(gòu)損傷。因此，同步閥瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的位移誤差應(yīng)作為其基本性能參數(shù)加以重視而深入研究。

1 同步閥結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1是拆解FJL-B15H型同步閥搭建三維模型后剖切得到的結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)左右對稱，兩側(cè)彈簧使閥芯處于閥體中間位置，分流工況時換向活塞在遠(yuǎn)離對稱中心線的圖示位置。當(dāng)壓力油液p0、q0由P口進(jìn)入，經(jīng)閥芯徑向孔和左右兩側(cè)固定阻尼孔分別變?yōu)閜1、q1和p2、q2進(jìn)入閥左右兩腔，再經(jīng)左右兩腔中的可變節(jié)流口分別以液流p3、q1和p4、q2流入各自的執(zhí)行元件。

圖1 同步閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 同步閥工作原理簡圖

如圖2所示，當(dāng)負(fù)載壓力p3=p4時，p1=p2，閥芯兩側(cè)受力平衡，閥芯無移動，左右兩側(cè)可變節(jié)流孔開度不變，q1=q2；若p3＞p4，據(jù)小孔流量公式：q=CAΔpφ有：q1＜q2，p1＞p2，左側(cè)彈簧腔壓力大于右側(cè)，閥芯右移使左側(cè)可變節(jié)流孔開度增大，而右側(cè)可變節(jié)流孔開度減小，導(dǎo)致q1變大、q2減小，直至q1=q2、p1=p2，閥芯重新恢復(fù)平衡，兩執(zhí)行元件運(yùn)動速度同步。同理，若p1＜p2，閥芯左側(cè)，調(diào)節(jié)流量相等。集流工況此相似，僅進(jìn)油口與出油口相反。

2 同步閥建模

2.1 同步閥AMESim仿真模型

根據(jù)同步閥結(jié)構(gòu)和工作原理，利用AMESim中HCD庫的質(zhì)量、固定阻尼孔、可變阻尼孔、容積及活塞等單元搭建出同步閥模型如圖3所示。

圖3 同步閥仿真模型

利用該閥Solidworks三維模型，測量和計算仿真模型中相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 同步閥結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 仿真模型驗證

為驗證所建同步閥模型，可將其置入雙缸同步回路，通過兩油缸所分配的流量進(jìn)行驗證。將同步閥模型與元件庫中液壓泵、液壓缸和信號源等元件連接，搭建出雙缸同步回路AMESim模型如圖4所示，其中油缸內(nèi)徑160mm、活塞桿直徑140mm。

該同步閥樣本提供的性能參數(shù)見表2，即額定流量63L/min下進(jìn)行分流，當(dāng)雙缸無桿腔壓差分別為0MPa、6.3MPa、20MPa、30MPa時，其速度同步精度σR與偏載壓差Δp應(yīng)滿足表2要求。

圖4 同步閥分流工況AMESim仿真模型

表2 同步閥樣本分流工況同步精度

設(shè)置驗證工況為：泵輸出同步閥額定流量63L/min，同步閥A、B口偏載壓差在0～2s間保持為0，2s開始分別階躍變?yōu)镻A＞PB前提下的6.3MPa、20MPa、30MPa。

設(shè)置仿真時間5s，時間間隔0.01s，得到不同偏載工況下閥芯位移曲線，如圖5所示。

圖5 不同偏載工況下閥芯位移曲線

圖5的曲線族表明，同步閥閥芯位移對負(fù)載壓差的響應(yīng)為典型二階系統(tǒng)，這與文獻(xiàn)[8]的理論分析結(jié)果相一致；當(dāng)偏載0MPa時閥芯不動，偏載增加閥芯位移隨之變大表明閥芯右移，同步閥左側(cè)可變節(jié)流孔開度增加而右側(cè)可變節(jié)流孔開度減小。因此仿真模型響應(yīng)曲線趨勢正確。

圖6是偏載30MPa時A、B口流量曲線，由此可得不同壓差條件下，同步閥穩(wěn)定工作時A、B口流量差（表3）。

圖6 偏載30MPa工況下A、B口流量曲線

表3 樣本工況下同步閥A、B分流口仿真流量差

表4 不同偏載差壓下同步閥仿真同步精度

3 同步閥同步性能仿真分析

3.1 同步性能仿真

借助圖4回路仿真模型，對該同步閥同步精度進(jìn)行分析。

在前述模型驗證工況仿真結(jié)果中提取偏載30MPa時的雙缸位移曲線如圖7所示。

圖7 偏載30MPa工況下雙缸行程曲線

圖7表明：2s前兩缸負(fù)載相同，其速度、位移均同步，2s開始階躍偏載經(jīng)動態(tài)響應(yīng)后兩缸位移曲線不再重合也不平行但斜率偏差很小，說明偏載響應(yīng)后雙缸失去位置同步，也不再保持嚴(yán)格的速度同步。原因在于圖6所示同步閥A、B兩口流入兩缸的流量差，在階躍偏載后既存在瞬態(tài)誤差也存在穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差對同步閥同步性影響已有相關(guān)文獻(xiàn)研究，本文不再贅述。這里主要考慮瞬態(tài)響應(yīng)過程中的流量誤差對其同步精度的影響。考慮同步閥瞬態(tài)過程雙缸流量的時變特性，本文提出時均瞬態(tài)累計誤差概念對其進(jìn)行研究。

3.2 時均瞬態(tài)累積誤差

所謂時均瞬態(tài)累計誤差是指同步閥瞬態(tài)響應(yīng)過程中兩分流口單位時間時變流量之差，可記為

式中，T為瞬態(tài)響應(yīng)的調(diào)整時間。

由圖6可知偏載30MPa時A、B口流量曲線瞬態(tài)響應(yīng)調(diào)整時間TA＜TB，取B口穩(wěn)定工作流量±5%，得TB=0.34s。對A、B口流量曲線作差得到流量差曲線，再利用AMESim中曲線積分求解功能對流量差積分，根據(jù)時均瞬態(tài)累計誤差公式，計算30MPa偏載下同步閥時均瞬態(tài)累計誤差。同理可得其他工況時均瞬態(tài)累計誤差（表5）。

表5 不同偏載下同步閥A、B口時均瞬態(tài)累計誤差

由表5可知，系統(tǒng)偏載30MPa時，瞬態(tài)響應(yīng)導(dǎo)致的雙缸位移差2.315mm，這對高精度控制應(yīng)屬很大的絕對誤差。因此，瞬態(tài)響應(yīng)過程對同步閥同步精度有明顯影響，其瞬態(tài)累計誤差應(yīng)考慮在對同步閥同步性影響之內(nèi)，不可忽略。

3.3 時均瞬態(tài)累計誤差影響因素分析

選取同步閥獨立的結(jié)構(gòu)參數(shù)：固定節(jié)流孔直徑、可變節(jié)流孔初始直徑、彈簧剛度，以及使用參數(shù)：進(jìn)口流量、偏載壓差，通過仿真分析其變化時對同步閥時均瞬態(tài)累積誤差的影響。

將固定節(jié)流孔直徑以步長0.1mm從3.5mm離散至4.5mm、可變節(jié)流孔直徑以步長0.1mm從4.5mm離散至5.5mm、彈簧剛度以步長0.5N/mm從0.4N/mm離散至3.4N/mm，P口流量以步長1L/min從55L/min離散至65L/min、雙缸偏載壓差以步長5MPa從5MPa離散至35MPa，其它未作說明的均取偏載30MPa時測試工況參數(shù)。分別經(jīng)批處理得到時均瞬態(tài)累計誤差隨上述因素變化的曲線，這里給出較為典型的曲線，如圖8～圖10所示。

從所獲仿真曲線看，時均瞬態(tài)累計誤差隨固定節(jié)流孔直徑增加呈拋物線上升趨勢，隨可變節(jié)流孔初始直徑和偏載壓差的增加呈線性遞增規(guī)律，隨彈簧剛度和P口流量的增加呈線性遞減變化。

因此，從降低時均瞬態(tài)累計誤差的角度看，設(shè)計時同步閥應(yīng)盡可能減小固定節(jié)流孔直徑、可變節(jié)流孔初始直徑，增加彈簧剛度；使用時則應(yīng)減小偏載壓差、增大同步閥進(jìn)口流量。但減小固定節(jié)流孔和可變節(jié)流孔直徑在大流量分流工況下會增大壓力損失而降低系統(tǒng)效率，特別是加大彈簧剛度更與降低同步閥穩(wěn)態(tài)誤差的要求相矛盾[5]。

4 結(jié) 語

通過對同步閥控制的同步回路建模和仿真分析，發(fā)現(xiàn)同步閥輸出流量的瞬態(tài)響應(yīng)誤差對同步回路的同步性影響明顯。考慮到瞬態(tài)過程流量的時變性，提出同步閥時均瞬態(tài)累計誤差的概念對這種影響加以研究，并得到如下結(jié)論：①在同步閥額定流量下，其時均瞬態(tài)累計誤差隨偏載壓差的增加呈拋物線趨勢遞增，生產(chǎn)廠家應(yīng)將其作為基本性能參數(shù)指標(biāo)在樣本中加以標(biāo)示；②固定節(jié)流孔直徑、可變節(jié)流孔初始直徑和彈簧剛度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對同步閥時均瞬態(tài)累積誤差有明顯影響，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮過閥壓力損失和穩(wěn)態(tài)誤差優(yōu)化確定；③從使用角度看，選用的同步閥實際流量應(yīng)盡可能接近其額定值，且應(yīng)盡可能減小偏載。

圖8 固定節(jié)流孔直徑對時均瞬態(tài)累計誤差影響

圖9 可變節(jié)流孔初始直徑對時均瞬態(tài)累計誤差影響

圖10 P口流量對時均瞬態(tài)累計誤差影響