差动负载敏感伺服阀控系统静态特性分析

　　0 引言

　　负载敏感技术的研究开始于20世纪70年代,Linde公司、Rexroth公司及John Deer公司都先后设计了各自的负载敏感元件及系统,并成功应用于在移动式工程机械、农业机械及注塑机中的静压传动系统中。国外对负载敏感技术的研究较多,但内容主要集中于负载敏感系统自身及其在静压传动系统的具体工程应用上。至于负载敏感技术在电液伺服控制系统中的应用研究,国内外相关的论文很少。负载敏感技术在电液伺服控制系统中的应用潜力(单向位置控制精度高达0.004mm,力控制精度可达0.2% FS)很大,负载敏感系统具有较好的控制品质。实际应用及初步理论分析只是证明负载敏感技术应用于单作(单向驱动)液压执行元件可行性。而在工程实际中大量应用双作用液压执行却无法采用四通伺服阀构成双向驱动的负载敏感伺服机构,因为负载敏感系统只能对液压执行元件的一个容腔的压力“敏感”;借鉴负载敏感静压传动系统控制双作用缸,采用换向阀或梭阀切换控制也是不可行的,因为在伺服定位过程中换向阀或梭阀的切换,经负载敏感调节作用将引起压力波动,使伺服系统的品质变差,严重者将导致系统不稳定。负载敏感系统控制双作用液压执行元件的这种局限,严重制约了其在电液伺服控制系统中的应用。为此,本文提出了阀控制差动负载敏感伺服系统的解决方案,如图1所示。该系统的控制阀应用了阀口经特殊设计的新型数字式P-Q阀。本文对该系统的工作原理、静态数学方程的建立及静态特性做了详细的介绍。

　　1 系统的工作原理

　　(1)该系统的执行元件为单出杆液压缸,它的有杆腔与泵出口相连,而无杆腔为负载敏感腔,由一阀口经特殊设计的三通阀控制(该阀结合系统的负载敏感特性,可以实现流量-压力复合控制)。为了说明工作原理方便,假设外负载力为0,当处于稳态工况时,由活塞两腔的力平衡关系可以求得:稳态负载压力等于节流口的压力差乘以有杆腔活塞的面积与活塞杆面积的比值(如下面公式(1))。工作原理图如图2所示。

　　(2)当阀芯向左运动时, PA口开大, AT口减小,系统压力升高活塞向右运动(此时无杆腔和有杆腔的压力同时升高,但是因无杆腔的活塞面积比有杆腔的大,无杆腔的活塞推力增加的斜率比有杆腔的大,活塞产生向右的静推力,并向右移动)。如图3所示。

　　(3)当阀芯向右运动时, PA口减小, AT口增大,系统压力下降活塞向左运动。活塞向左的最大拉力为定差减压力乘以无杆腔的面积。需要指出的是当活塞向左运动时,压力油液通过三通节流阀的AT口回油箱,此时AT口两侧的压力虽不能保持定差,但此时系统工作于低压工况,无杆腔的压力较低,节流压力损失较小。如图4所示。