双喷嘴挡板电液伺服阀流量特性的研究

　　0　引言

　　电液伺服阀是特性复杂而又精密的液压伺服元件,其性能参数和指标较多,要求也十分严格。一直以来,对双喷嘴挡板电液伺服阀压力控制特性的研究比较多,而对静态负载流量特性的研究相对较少。实际上,该种负载流量特性的研究,对于正确设计和使用伺服阀具有重要意义[1-3]。

　　1　阀的结构与原理

　　图1所示,是某型号的双喷嘴挡板电液伺服阀结构原理图。它由动铁式力矩马达和双喷嘴挡板液压放大器组成单级电液伺服阀。阀的工作原理是:

　　(1)力矩马达控制线圈无控制电流时,衔铁由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置,挡板也处于两个喷嘴的中间位置,两喷嘴负载腔压力相等,输出的差动压力为零,即无输出。

　　(2)当力矩马达两控制线圈有差动控制电流时,在衔铁上产生电磁力矩(假定为逆时针方向),使衔铁挡板组件绕弹簧转动中心逆时针方向偏转,弹簧管产生变形,挡板偏离中位。这时,喷嘴挡板阀右间隙减小而左间隙增大,引起右喷嘴负载腔压力增大,左喷嘴负载腔压力减小,两喷嘴负载腔有差动压力输出。弹簧管变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡,使衔铁挡板组件停留在与某个控制电流相对应的偏转角上,伺服阀输出一个对应的流量。阀的输出量(流量及压力)、衔铁挡板组件的偏转角均与控制电流成比例。

　　(3)改变控制电流的方向,上述偏转角与阀的输出量的方向随之改变。

　　2　数学模型

　　双喷嘴挡板电液伺服阀的数学模型描述包含以下三个部分。

　　2·1　力矩马达的静态特性[4]

　　(1)作用在衔铁上的电磁力矩Td

　　根据电磁吸力公式和力矩马达的结构参数,假定在控制电流ic作用下,衔铁转动了一个角度θ,则

　　式中: Kt、Km分别为力矩马达的中位电磁力矩系数

　　(N·m/A)和电磁弹簧刚度(N·m/rad)。

　　(2)弹簧管力矩Ta

　　式中: Ka为弹簧管刚度(N·m/rad)。

　　(3)静态特性方程

　　力矩马达的电磁力矩由弹簧管力矩和负载力矩来平衡。力矩马达在无负载情况下,衔铁的平衡方程式为

　　即

　　式中: K为力矩马达的静态放大系数(rad/A)。

　　式(1)表明:力矩马达衔铁转角与控制电流呈线性比例关系。

　　2·2　液压放大器的静态特性

　　图2所示,是双喷嘴挡板液压放大器的工作原理图及等效桥路图。根据流量连续性和液压放大器的对称性,可列出下列等式:

　　式中: Cd0、Cdf分别为固定节流孔和可变节流口的流量系数, A0为固定节流孔的通流面积(m2), ps为系统供油压力(Pa), p1、p2分别为喷嘴负载腔压力(Pa),ρ为液体密度(kg/m3), xf0为挡板与喷嘴之间的零位间隙, xf为挡板偏离零位的位移。