FMV阀控缸系统的动态特性研究

　　1　引言

　　FMV阀控缸系统是由FMV阀、油缸及蓄能器组成的位置闭环控制系统。研究FMV阀控缸系统的动态特性,对提高工作品质具有重要的意义。

　　2　FMV阀控缸系统原理

　　FMV阀控缸系统(图1)工作原理如下:当FMV阀的阀芯从零位开始向左运动时,压力油经FMV阀进入油缸上腔,推动活塞向下运动,实现下压动作;当FMV阀的阀芯从零位开始向右运动时,油缸上腔经FMV阀回油,蓄能器压力推动活塞向上运动,实现抬起动作。这套系统用在武钢冷轧硅钢片厂森吉米尔轧机上,控制轧辊的下压和抬起。

　　3　FMV阀控缸系统数学模型

　　(1)活塞向下运动时

　　力平衡方程:

　　式中:p—蓄能器的瞬时压力;

　　p1—油缸上腔瞬时压力;

　　A—油缸有效作用面积;

　　xp—负载位移;

　　M—油缸及负载的运动质量;

　　K—弹簧刚度;

　　B—粘性阻尼系数。

　　FMV阀流量方程:

　　式中:Cd—阀口流量系数;

　　w—阀口面积梯度;

　　ρ—油液密度;

　　xv—阀芯位移;

　　ps—油源压力。

　　假设蓄能器充放油过程中,气体压力和容积按等温理想气体的规律变化,蓄能器动态方程

　　式中:V—蓄能器的瞬时容积;

　　V2—蓄能器充放油前的初始容积;

　　G—与气体性质、温度和气体量有关的常数;

　　K0=1.4p0—蓄能器内气体的弹性模量;

　　p0—蓄能器内气体压力的稳态值。

　　由式(1)、(2)和(3),可得:

　　(2)当活塞向上运动时

　　同理得:

　　4　蓄能器的研究

　　阀芯向左或向右开度相同时,对应的活塞运动速度也大致相同。当B很小时,可将式(4)和式(5)合并成:

　　控制系统的速度—位移特性与负载弹簧刚度无关,这是FMV阀—蓄能器控制系统的优点。

　　蓄能器的充气步骤是:根据要求,首先确定xp及其所对应的vp,在此基础上选定Axp/V2,然后按式(9)求出G和V2。由p1V1=p2V2=G确定蓄能器最大工作压力p2,选择充气压力p1并确定充气容积V1。蓄能器的充气压力一般应在系统最低工作压力的90%和系统最高工作压力的75%之间选取。

　　5　试验验证

　　为了便于FMV阀的修复、测试和控制系统性能的研究,建立了FMV阀测试及控制系统试验台,其原理如图2所示。

　　计算机产生一个位置控制信号,通过检测油的实际响应信号,可以检查FMV阀是否工作正常,系统位置控制效果是否良好。图2中,油缸活塞面积A=193×10-4m2,负载质量M=600kg,油源压力ps=70×105Pa。当xp=0. 13m时,取vp=8m/s、Axp/V2=0. 11,可得V2=22. 8×10-3m3。由式(9)得G≈9×104Nm。由p2V2=G得p2≈40×105Pa。若p1=75%p2,则p1=30×105Pa,V1=3×10-2m3。试验结果见图3a。当p1=15×105Pa时,试验结果见3b。表明蓄能器充气压力不足时,系统的响应和控制精度将下降。