New Dead-zone Compensation Approach for Proportional Flow Valve

新的比例流量阀死区补偿方法

吴强,吉星宇,王鹤,郝慧敏,黄家海

（太原理工大学 机械与运载工程学院,太原 030024）

创新点说明：

对于没有位移传感器的电液比例流量阀存在的死区问题,提出了基于阀口压差的死区补偿方法,并针对不同的压差工况,提出修正系数优化补偿方案。

中文说明：

针对无阀芯位移传感器的电液比例流量阀面临的死区问题,常规的死区补偿方法效果十分有限,为解决这一问题,提出一种新的死区补偿方法。首先对电液比例流量阀结构和死区模型进行了描述,提出了基于阀口压差的死区补偿方法;其次,利用Matlab/Simulink软件建立了死区补偿模型,对比分析了不同压差条件下死区补偿方法的有效性;最后,搭建了由补偿器、NI数据采集仪、电液比例流量阀等组成的试验台,对比分析了仿真和实验的补偿结果以及负载、温度等因素对死区的影响。研究结果表明,压差是影响死区范围的一个重要因素,死区范围随着压差的增大而减小,所提死区补偿方法可将无阀芯位移传感器比例流量阀的死区范围减小到3.5%;针对阀口压差变化所导致的补偿精度降低的问题,提出了补偿系数修正补偿曲线以达到期望效果,并有效避免了由压差引起的过补偿现象。此外,实验论证了温度对死区范围影响很小,补偿器在不同温度、负载条件下依然可以正常工作。因此可得如下结论：本文提出的基于阀口压差的死区补偿方案,在5Mpa和1Mpa工况下,可以将死区减小到3.5%,针对不同温度、负载工况下实际补偿效果的分析,验证了该补偿方法的有效性。但是,关于负载对于死区范围的影响,本文并没有做相关探索,在后续研究中将予以讨论。

关键词：比例流量阀、流量死区、死区补偿、压差

     

水压直驱式高速开关阀动态特性

针对水压机器人关键控制元件,提出了一种音圈电机直接驱动式水压高速开关阀,并对其结构工作原理进行了介绍,运用AMESim仿真软件建立了水压高速开关阀数学模型,利用AMESim批处理方法分析了阀芯直径、阀孔直径和阀芯半锥角等关键结构单参数对高速开关阀动态性能的影响,并基于遗传算法对开关阀的动态特性进行了多参数影响变化研究,最终确定了开关阀的最优结构参数,为其动态性能的提高提供了理论依据.最后在仿真模拟的基础上研制了水压高速开关阀样机,并对其进行了动态性能试验研究,其开启响应时间为7 ms,关闭响应时间为9 ms,通过理论和试验的对比分析,验证了所研制的水压高速开关阀动态性能满足预期技术要求.     

深海采矿装备研发的现状与进展

针对水压机器人关键控制元件,提出了一种音圈电机直接驱动式水压高速开关阀,并对其结构工作原理进行了介绍,运用AMESim仿真软件建立了水压高速开关阀数学模型,利用AMESim批处理方法分析了阀芯直径、阀孔直径和阀芯半锥角等关键结构单参数对高速开关阀动态性能的影响,并基于遗传算法对开关阀的动态特性进行了多参数影响变化研究,最终确定了开关阀的最优结构参数,为其动态性能的提高提供了理论依据.最后在仿真模拟的基础上研制了水压高速开关阀样机,并对其进行了动态性能试验研究,其开启响应时间为7 ms,关闭响应时间为9 ms,通过理论和试验的对比分析,验证了所研制的水压高速开关阀动态性能满足预期技术要求.

     

内外啮合齿轮马达泄漏与容积效率分析及试验

基于内、外啮合齿轮马达的结构特殊性,分析了泄漏的主要途径,通过泄漏的计算公式,分别对4种不同连接方式进行理论分析。同时搭建试验台对该马达进行容积效率进行测试,结果表明:齿轮马达的端面间隙泄漏与马达转速无关,只和马达进、出口的压差有关,伴随齿轮马达的连接方式不同,马达的径向间隙泄漏有微小改变;随着马达进、出口压差变大,马达内部的泄漏量逐渐增大,马达容积效率随之减小,机械效率随着马达进、出口压力的升高而逐渐增加。     

一种新型大流量数字阀

大流量开关阀一般采用多级先导结构,体积、质量较大,且先导流量和零位泄漏较大,为此提出了基于二维螺旋伺服结构的一体化大流量开关阀.该大流量数字开关阀利用螺旋伺服结构通过液压力将阀芯的旋转运动转换为阀芯的轴向运动,实现二级液压功率放大,无需另外配置先导阀.在分析大流量数字开关阀工作原理的基础上,利用流体动力学理论建立其数学模型;在MATLAB平台上采用龙格库塔数值算法编制仿真程序,进行理论分析;最后建立实验平台对理论分析结果进行验证.理论和实验结果表明:新型大流量数字开关阀具有良好的流量特性和良好的动态特性,阀芯位移2.7mm的时间约17ms.工作压力为3MPa、阀芯位移为0.25mm时,流量达到123.3L/min;工作压力为7 MPa、阀芯位移为0.2mm时,流量达到106.9L/min.     

装载机工作装置数字电液比例控制系统仿真

采用了数字高速开关阀为先导阀构成数字电液比例多路换向阀,实现对装载机工作装置的数字化电液比例控制.提出了数字电液比例系统的数学模型及控制规律,然后用M atlab仿真软件中的S imu link对高速开关阀进行动态特性仿真,证明通过改变它的占空比可以控制多路阀的流量,从而达到控制工作部件的运动速度.     

锥型节流阀流量特性

针对不同结构参数的锥型节流阀阀口,分别分析了三角形(45°,53°,60°)、U形、矩形节流槽的特征,推导了各自的过流面积计算公式,并依据节流阀流量压差特性试验,利用Matlab程序进行处理,获得了不同阀芯锥型节流阀的流量系数。研究表明:锥型节流阀的流量系数不仅与系统压力、阀口开度有关,还与节流槽的结构有直接的关系。锥型节流阀的流量系数随着压力的升高而增大;随着阀口开度的增大而减小。53°和60°三角形节流槽阀芯的流量系数稳定性要好于其他3种结构,45°三角形节流槽阀芯的流量系数最不稳定。     

用描述函数理论和数字仿真方法研究溢流阀的动态特征

本文以 P-B10B 型溢流阀为例.采用描述函数理论和数字仿真方法分析了该阀在干扰作用下的动态特性,同时讨论了死区非线性和某些结构参数对动态特性的影响,得出了一些有用的结论,为阀的设计和使用提供了理论依据。     

变惯量飞轮-液压变压器-马达辅助液压激振

针对阀控液压激振低能效的缺陷,提出一种新的激振方法。以作动缸、液压变压器和液压马达组成闭式回路,作动缸活塞杆连接振体,液压马达传动轴连接变量飞轮。振体振动时带动作动缸输出交变压力油,经变压器变压,驱动液压马达和飞轮摆动。飞轮摆动时其转动惯量能够跟踪振体运动节奏变化,在飞轮和振体之间引发动量循环,强化振动。动量循环没有节流损失,故而节能。液压变压器变压比调节范围大,弥补了大排量液压马达高频特性不良的缺陷,能有效扩展振动特性调节范围。构建了系统数学模型,对激振系统动力学性能进行了理论分析和Matlab仿真,表明变量飞轮的激振效果可通过变压系数和飞轮惯量调节系数调节,在适当条件下激振效果明显。     

曲轴连杆式液压马达提高性能和寿命的新设计方法

曲轴连杆式液压马达(又称斯达发马达),是径向柱塞式低速大扭矩马达的一种,具有结构简单,用材普遍,制造较易和成本低等优点,用于工程机械、矿山机械、起重运输机械以及舰船液压传动系统作为执行元件。我国的JMD系列马达是按五十年代英国张伯伦公司斯达发工厂的原MK 系列仿制生产的,由于原设计存在一定的问题,该系列马达的机械效率低(最高只达91.5%),低速稳定性差(转速低于10转/分时就产生     

内外爆气动开关阀

为了设计一种用于油井液位测量系统的气动高速大流量开关阀,利用小流量的先导高速开关阀驱动大通径的主阀芯.提出以控制腔的充放气过程中压力特性来描述该阀的动态特性.基于热力学、动力学、气压传动等理论详细建立数学模型,并搭建内外爆气动开关阀的实验平台来验证模型的正确性.对阻尼孔通径、控制腔体积等影响动态特性的因素进行分析和优化.结果表明,仿真与实验相符.增大控制腔体积可减小压力振幅幅度,但阀芯开启时间变长;而阻尼孔通径与先导阀通径的比值在0.13～0.27内系统的响应特性颇好.实验结果表明,该阀有效解决大流量与高切换速度之间的矛盾.     

三通球阀式高速开关阀稳态液动力分析与结构改进

对于微小型高速开关阀,大流量和高频响都会增大阀芯所受的液动力进而影响其运动状态,因此,对液动力进行分析与补偿是提升高速开关阀性能的关键因素之一。为了解决球阀式高速开关阀在高频启闭状态下流场结构复杂导致传统的稳态液动力理论计算公式已不适用的问题,基于CFD数值计算方法对液动力进行研究。首先,利用COMSOL软件建立阀内流场流体域的几何模型;随后,选用弱可压缩流体、标准k-ε湍流模型并运用动网格技术,得到流体域的压力和流线分布图、流量曲线以及不同阀口开度下阀球和阀芯的稳态液动力变化曲线;最后,为了补偿阀口启闭过程中所减小的稳态液动力,根据不同的阀口结构参数与阀芯受力及阀口启闭时间之间的变化关系,对阀口结构进行优化并确定最优参数。结果表明：进油孔阀球所受的稳态液动力会随着阀口的开启产生先减小后增大的现象,但由于进油孔阀球的稳态液动力相比于回油孔阀球较小,故阀芯上的稳态液动力变化与回油孔阀球上的稳态液动力变化近似;适当减小阀球推杆直径及将靠近阀口的流道改成渐扩型流道能够有效地补偿启闭过程中所减小的稳态液动力,改进后的最优结构相较于原结构的一个周期启闭时间从1.047 ms下降到0.714 ms,稳态液动力补偿效果明显。     

基于AMESim的恒流量控制阀流量特性分析

为研究恒流量控制阀的流量恒定机理,依据某型号阀的实际结构对影响恒流量控制阀特性的阀口过流面积及梯度因素进行分析。首先,建立其数学模型、控制理论模型和动态系统传函框图,定性分析了这些因素对恒流量控制阀特性的影响;然后,建立其AMESim仿真模型,分析了这些因素对该阀稳态特性和动态特性的影响机理,并通过实验验证了仿真模型的可靠性。结果表明：恒流量控制阀结构存在级间负反馈,补偿节流孔两侧压差可降低流量调节偏差;调节压力补偿器阀口过流面积有助于改善恒流量控制阀的稳态特性;调整压力补偿器阀口过流面积梯度可显著改善恒流量控制阀的静、动态特性。     

基于虚拟样机技术的数字式柱塞泵控制特性研究

为了开发新式的数字液压泵并研究其控制特性,开发了高速开关阀控制的数字式柱塞泵,通过可编制控制器程序来实现不同的控制功能.分析该数字泵的控制原理,建立数字泵的动力学模型和液压系统模型,并以接口模型实时连接2个模型构成数字泵的虚拟样机.通过虚拟样机仿真和试验测试,研究数字泵的流量控制、压力控制和功率控制等功能.结果表明,数字式柱塞泵压力、流量控制的调节时间可以控制在2s以内,能够达到精确的控制结果,同时实现准确的恒功率控制方式.采用高速开关阀控制的数字式柱塞泵满足控制性能需要,可以实现良好的柱塞泵变量控制功能.数字泵虚拟样机能够实现对数字泵控制性能的准确预测,仿真结果和试验结果吻合较好,虚拟样机技术将成为数字泵设计和优化的重要手段.     

液压蓄能式波浪能发电装置关键参数分析

针对波浪能发电效率低的问题, 建立由波浪输入至马达输出的系统数学模型, 采用理论建模和仿真分析相结合的方式确定影响系统发电功率的关键参数, 为提高装置发电效率的液压能量转换系统恒转速控制策略的研究提供理论指导。波浪能发电的液压蓄能式波浪能发电系统主要由3部分组成, 建立系统各元件的运动方程及能量方程, 寻找元件间的连接参数建立系统数学模型, 通过理论分析系统功率方程定性地确定系统工作特性及关键参数。为验证理论分析结果的准确性, 借助AMEsim仿真平台完成系统设计及仿真验证。结果表明, 马达输出功率主要受波浪波高、周期、比例流量阀流通面积及马达排量的影响, 最高影响阶次分别为1次方、4次方、4次方和2次方。仿真验证还证明蓄能器预充气压力几乎不会对马达输出功率产生影响。     

迷宫密封结构与动力学参数影响因素

针对迷宫密封-转子系统的特点,建立密封-转子系统动力学模型,分析转速、入口预旋比、密封间隙、压差等重要密封参数对密封动力学特性系数的影响.对三维模型的流体动力学(CFD)进行分析,总结出密封结构和压差对泄漏量的变化规律,并通过与实验的对比分析验证了本方法的正确性.研究结果表明:减小密封入口预旋速度,适当增大密封间隙,可以减小引起不稳定的交叉刚度系数,提高稳定性.齿宽存在一个临界值(1.04 mm),高于这个临界值时,随着齿宽变大泄漏量变大;低于这个临界值时,随着齿宽变大泄漏量变小.在相同转速下,随着密封间隙的增大泄漏量增大,压差增大泄漏量增大,腔深增大泄漏量减小.     

基于AMESim的压力补偿阀工作特性仿真分析

针对压力补偿阀冲击振动问题,本文分析了压力补偿阀的内部结构及工作原理,建立了压力补偿阀动态数学模型,通过AMESim软件建立压力补偿阀仿真模型进行仿真,利用变参数方法对比分析影响其工作特性的主要结构因素。仿真结果表明,在压力补偿阀的压力腔内增设弹簧,可减小油液对阀芯的冲击振动和由振动产生的噪音;而且在LS液压系统响应基本不变的情况下,适当增大节流口的直径,可以减小油液对阀芯的冲击。该研究为压力补偿阀阀体内部结构的改进提供了一定的理论依据。     

基于圆盘缝隙阻尼器的中心通流静压推力轴承

针对轴向柱塞马达变量阀配流机构的结构特点,提出圆盘缝隙前置阻尼中心通流式流体静压推力轴承的原理和结构.计算承载能力和油膜刚度,分析轴承密封带与圆盘缝隙前置阻尼平面的高度差对静压推力轴承特性的影响,并与细长孔前置阻尼流体静压推力轴承的承载能力和油膜刚度进行对比.结果表明,圆盘缝隙前置阻尼流体静压推力轴承的油膜绝对刚度较大,是油膜厚度的单调递减函数,油膜厚度越小刚度越大,承载能力稳定,负载适应能力较强;细长孔前置阻尼流体静压推力轴承在设计油膜厚度附近刚度最大,当油膜厚度改变时刚度减小.对高度差5和10μm的2种样机进行对比试验,试验结果表明,2种轴承均可在压力0~12 MPa,当转速为0~1 000r/min时正常工作,泄漏和摩擦都很小.当流体压力变化时,高度差为5μm的轴承的泄漏量和摩擦扭矩相对较稳定.     

盾构管片拼装机电液系统高速-低冲击控制方法

为了解决当前管片拼装机回转系统转速低且存在较大启动冲击的问题,提出采用蓄能器回路变速积分控制的高速管片拼装电液控制系统.通过根据误差信号幅值实时调整积分系数,使系统在获得较高运动精度的同时,有效地抑制了系统冲击;通过在液压马达两端增加蓄能器,吸收液压冲击,减小启动阶段的冲击振荡.利用AMESim软件建立管片拼装机回转系统仿真模型,通过对比仿真数据与实验数据验证了该模型的有效性,利用修正后的仿真模型对管片拼装机回转系统进行仿真分析.结果表明,采用提出的高速-低冲击控制方法,可以将管片拼装机回转系统的转速由当前的1.5r/min提高到6r/min,能够有效地降低启动阶段的系统冲击,避免出现系统冲击力矩随转速升高而变大的现象.     

电控气动离合器执行器滑模轨迹跟踪控制

摘要: 为了实现电控机械式自动变速器的电控气动控制,建立由1个位移传感器、2个压力传感器及4个开关电磁阀组成的离合器气动执行系统.采用滑模控制算法使系统对干扰和不确定性具有很强鲁棒性,同时为了减小颤振改善控制率,控制算法中引入死区.通过开关阀直接实施滑模控制率而不通过脉宽调制,可以降低噪声和能耗、延长阀的使用寿命、增强系统硬件的可靠性.离合器气动执行系统分别对正弦信号、光滑方波信号、离合器参考信号进行跟踪试验,结果表明: 该算法具有良好的轨迹跟踪精度及相对低的稳态跟踪误差,验证了算法的有效性和可行性.