高速电液执行器延迟特性仿真与分析

　　前言

　　高速电液执行器一般由两位三通高速开关阀和液压缸组成,其工作原理如图1所示。在没有电信号时,高速开关阀在常闭位,液压缸的控制腔通过高速开关阀与油箱相通,液压缸在负载弹簧的推动下回到原位;在有驱动信号时,高速开关阀工作在开启位,此时液压缸的控制腔通过高速开关阀与液压源相连,从而驱动高响应液压缸前进。从工作原理可以看出,高速电液执行器在推动和回退时是两种不同的工作机理。本文通过理论分析、数值仿真研究和实验验证的方法,对电液执行器的推动和回退时的动作延迟特性进行研究。

　　1高速电液执行器的数学模型

　　1.1推动行程的数学模型

　　由于高速开关阀的响应速度远远大于电液执行器的动态响应速度,因此可以把推动行程中高速开关阀阀口简化为一个固定液阻[1],高速电液执行器的工作状态可以简化为图二所示模型:从图2可见,推动行程中经过高速开关阀阀口的流量为:

　　式中q₁—通过高速开关阀控制口流量;

　　C_d—高速开关阀阀口流量系数;

　　ω—高速开关阀阀口节流面积;

　　P_s—液压源压力;

　　P_n—液压缸控制腔压力;

　　p—油液密度

　　推动行程中电液执行器的流量连续方程为:

　　A_A—柱塞缸柱塞面积;

　　x—负载位移;

　　V₀—液压缸控制腔及连接高速开关阀和液压缸油管的初始容积;

　　C₁—柱塞缸内泄漏系数;

　　β—液压油弹性模量

　　推动行程中高速电液执行器的输出力与负载的力平衡方程为:

　　式中K_r—弹簧刚度;

　　B—液压缸活塞及负载的粘性阻尼系数;

　　x_n—弹簧的预压缩量;

　　m—液压缸活塞及负载折算到活塞的总质量。

　　1.2回退行程的数学模型

　　同样由于高速开关阀的响应速度远远大于电液执行器的动态响应速度，因此可以把回退行程中高速开关阀阀口也简化为一个固定液阻，此时高速电液执行器的工作状态可以简化为如图3所示:

　　在回退行程中，通过高速开关阀节流口的流量为

　　其流量连续方程与负载运动力平衡方程与推进行程相同。

　　2系统仿真及结构优化分析

　　2.1电液执行器模型仿真

　　根据上述建立的电液执行器推进和回退行程的数学模型，我们利用Matlab的Simulink工具箱进行电液执行器推进与回退过程仿真。仿真设定主要参数如下:液压油源系统压力为p₈=12 MPa，液压缸控制腔活塞面积A_A=7.85 x 10^-7m²，液压油弹性模量β_e=1330MPa，液压缸活塞及负载折算到活塞的总质量m=4.5 kg，高速开关阀流量系数C=0.81。输入信号为一个方波脉冲，同时监视其控制腔压力与负载行程的变化。得到图4所示曲线。