單級噴嘴擋板電液伺服閥的壓力特性研究

陳超

摘要：針對單級噴嘴擋板電液伺服閥壓力特性研究，分別在不同工況下對其靜態特性及動態特性進行壓力仿真分析，將分析結果與實測數據進行比較，結果相吻合，為開展單級噴嘴擋板電液伺服閥正向設計提供理論依據。

Abstract： Aiming at the pressure characteristics of the single-stage nozzle baffle electro-hydraulic servo valve， the static characteristics and dynamic characteristics of the single-stage nozzle baffle electro-hydraulic servo valve are simulated and analyzed under different working conditions. The analysis results are compared with the measured data， and the results are consistent. The forward design of the stage nozzle baffle electro-hydraulic servo valve provides a theoretical basis.

關鍵詞：電液伺服閥;靜態壓力特性;動態壓力特性

Key words： electro-hydraulic servo valve;static pressure characteristic;dynamic pressure characteristic

中圖分類號：TH137.52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）04-0077-05

1 ?研究意義

噴嘴擋板電液伺服閥的特殊改型設計，單級噴嘴擋板電液伺服閥以體積小、重量輕、可靠性高、抗污染能力強等優點廣泛應用于低壓伺服控制系統，實現流量調節和壓力控制功能。

以單級噴嘴擋板電液伺服閥在位置控制系統中的應用為例，見圖1，介紹單級噴嘴擋板電液伺服閥壓力特性的研究方法，建立仿真模型，根據用戶提出的不同使用要求（例如：不同的供油壓力、不同的輸出壓力極性、不同的壓力特性指標等），進行適應性設計，該研究工作對單級噴嘴擋板電液伺服閥的快速化正向設計具有重要的實際意義。

圖1中：Ug—指令信號;Uf—位移傳感器的反饋信號;Δi—給電液伺服閥的閉環控制信號;Ps—電液伺服閥的供油腔壓力;Pc—電液伺服閥的控制腔壓力;Pr—電液伺服閥的回油腔壓力;A1—活門的無桿腔有效面積;A2—活門的有桿腔有效面積。

2 ?產品結構和工作原理

單級噴嘴擋板電液伺服閥的主要結構由力矩馬達、噴嘴擋板液壓級和殼體組件組成。力矩馬達由磁鋼、上導磁體、下導磁體、銜鐵組件、控制線圈組成。銜鐵組件由銜鐵、彈簧管、擋板組成。殼體組件由殼體、進油腔噴嘴、回油腔噴嘴組成。

電液伺服閥的控制線圈通入電流信號時，由于控制磁通和極化磁通的相互作用在銜鐵上產生控制力矩，控制力矩的方向隨電流信號的極性變化、幅值隨電流信號的大小成正比例關系變化，控制力矩使彈簧管發生偏轉，彈簧管偏轉使擋板產生位移，改變了進油腔噴嘴和回油腔噴嘴的噴擋距離，使控制腔壓力發生變化，最終體現為電液伺服閥控制腔壓力的極性和幅值隨電流信號的極性和幅值變化。

3 ?產品數學模型

3.1 力矩馬達數學建模

力矩馬達的輸入電流產生的電磁力矩，除了用于克服作用在擋板上的靜壓力所產生的力矩外，其余的力矩將克服力矩馬達綜合剛度使銜鐵組件偏轉θ角，使擋板產生位移xf。

r—噴嘴孔軸心線到銜鐵組件旋轉中心距離;

KP—噴嘴擋板壓力增益;

AN—噴嘴孔面積;

θ—擋板轉角;

Ka—彈簧管支撐剛度;

Km—力矩馬達磁鋼度;

Cd—噴嘴擋板流量系數;

PS—電液伺服閥的供油腔壓力;

Pr—電液伺服閥的回油腔壓力;

xf0—噴嘴擋板初始間隙。

力矩馬達動態力矩方程為：

?式中：

Ja—銜鐵組件轉動慣量;

Ba—力矩馬達速度阻尼系數;

ΔP—噴嘴擋板輸出的負載壓力增量。

3.2 擋板位移與銜鐵轉角的關系

力矩馬達的輸入電流產生的電磁力矩，使銜鐵組件發生偏轉，由于銜鐵組件的銜鐵和擋板為剛性連接，因此可視為銜鐵與擋板的偏轉角度θ相同。

其中：

Xm—銜鐵端部位移;

θ—銜鐵偏轉角度;

r—噴嘴孔軸心線到銜鐵組件旋轉中心距離;

xf—噴嘴擋板位移間隙，xf=r·θ。

3.3 噴嘴擋板級的控制壓力與擋板位移的關系

噴嘴擋板級主要由進油腔噴嘴、回油腔噴嘴和擋板組成。電液伺服閥輸入0mA電流時的初始位置，當輸入正極性電流時擋板向回油腔噴嘴移動，當輸入負極性電流時擋板向進油腔噴嘴移動。

該型電液伺服閥在壓力特性測試時，因伺服閥的控制腔為封閉狀態，工作介質經進油腔噴嘴和回油腔噴嘴后流回油箱，故流經進油腔噴嘴和回油腔噴嘴的流量相等：

4.3 壓力特性仿真及數據對比

4.3.1 靜態壓力特性仿真

根據靜態性能仿真模型和靜態壓力特性傳遞函數，如圖2和圖4所示，在供油壓力為1.6MPa、回油壓力為0.04MPa條件，可得單級噴嘴擋板電液伺服閥的靜態壓力特性曲線，如圖6所示。

4.3.2 動態壓力特性仿真

根據動態性能仿真模型和動態壓力特性傳遞函數，如圖3和圖5所示，在供油壓力為1.6MPa、回油壓力為0.04MPa條件，可得單級噴嘴擋板電液伺服閥的動態壓力特性響應時間曲線，如圖7所示。

4.3.3 仿真與試驗情況對比

4.3.3.1 靜態壓力特性仿真與試驗情況對比

在供油壓力為1.6MPa、回油壓力為0.04MPa條件下，單級噴嘴擋板電液伺服閥的壓力特性對比符合性見表1，壓力特性的仿真結果與實測結果相近，滿足壓力特性指標的技術要求。

4.3.3.2 動態壓力特性仿真與試驗情況對比

在供油壓力為1.6MPa、回油壓力為0.04MPa條件，單級噴嘴擋板電液伺服閥的實測0mA至50mA動態壓力特性響應時間為54ms，仿真動態壓力特性響應時間為41ms（見圖7），響應時間接近，相差13ms，滿足動態壓力特性響應時間不大于110ms的技術要求。

5 ?適應需求的壓力特性仿真分析

在實際應用中，用戶會對單級噴嘴擋板電液伺服閥提出不同的技術要求，比如：在不同的供油壓力條件下工作、改變輸入電流與輸出壓力的極性變化關系、改變輸入電流與輸出壓力的對應變化關系等。下面以供油壓力從1.6MPa變更為5MPa、工作電流從-50～50mA變更為0～100mA、輸入電流與輸出壓力從正向關系變化變更為負向關系變化、輸入電流與輸出壓力的對應變化關系從表2變更為表3為例，對單級噴嘴擋板電液伺服閥的壓力特性進行適應性設計。

5.1 仿真模型

在AMESim中搭建適應性設計后的單級噴嘴擋板電液伺服閥仿真模型，如圖8和圖9所示。

5.2 適應需求的壓力特性仿真及數據對比

5.2.1 靜態壓力特性仿真

根據靜態性能仿真模型和靜態壓力特性傳遞函數，如圖8和圖4所示，在供油壓力為5MPa、回油壓力為0.04MPa條件，可得單級噴嘴擋板電液伺服閥的靜態壓力特性曲線，如圖10所示。

5.2.2 動態壓力特性仿真

根據動態性能仿真模型和動態壓力特性傳遞函數，如圖9和圖5所示，在供油壓力為5MPa、回油壓力為0.04MPa條件，可得單級噴嘴擋板電液伺服閥的動態壓力特性響應時間曲線，如圖11所示。

5.2.3 仿真與試驗情況對比

5.2.3.1 靜態壓力特性仿真與試驗情況對比

在供油壓力為5MPa、回油壓力為0.04MPa條件下，單級噴嘴擋板電液伺服閥的壓力特性對比符合性見表4，壓力特性的仿真結果與實測結果相近，滿足壓力特性指標的技術要求。

5.2.3.2 動態壓力特性仿真與試驗情況對比

在供油壓力為5MPa、回油壓力為0.04MPa條件，單級噴嘴擋板電液伺服閥的實測0mA至100mA動態壓力特性響應時間為77ms，仿真動態壓力特性響應時間為55ms（見圖11），響應時間接近，相差22ms，滿足動態壓力特性響應時間不大于110ms的技術要求。

6 ?結論

對單級噴嘴擋板電液伺服閥的壓力特性進行研究，建立了數學模型和AMESim仿真模型，通過仿真和試驗數據對比可以得到以下結論：①靜態和動態壓力特性的仿真結果與試驗結果接近，仿真模型正確，仿真結果可以可作為技術方案可行性的判定依據。②根據不同的使用技術要求，通過修改模型的力矩馬達級和噴嘴擋板級參數，可以預測不同工況條件下的靜態和動態壓力特性指標，具有滿足用戶系統不同需求和指導設計的意義。③建立的仿真模型可實現單級噴嘴擋板電液伺服閥的快速化正向設計。

參考文獻：

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