阀控非对称缸位置伺服系统正反向速度特性的理论分析及试验研究

　　1 引 言

　　由于非对称缸具有占用空间小、结构简单、承载能力大以及制造成本比较低廉[1、2]等一些优点,所以对称阀控制非对称缸伺服系统在工程中应用得非常的广泛,如船舶、飞机、大型的机械设备以及多自由度的模拟器上等等。但是,在这样的液压伺服系统中,由于非对称缸在结构上的不对称,导致正反两个方向上动态特性的不一致,如流量增益、流量-压力系数等[3],所以,在系统换向和负载变化的情况下,系统中产生较大的压力跃变,并伴随着振动和噪声,使液压缸产生气蚀,并且使系统中的压力瞬间可能超出油源的供油压力[4],而导致困油现象的发生。本文针对上述的问题,在并联液压六自由度Stewart平台运动系统中,采用非对称阀控制非对称缸组合的策略,分析研究了系统正反向的速度特性,结果表明,该组合策略能够在一定的程度上改善系统中出现的问题。

　　2 阀控液压缸动力机构的统一流量方程

　　阀控液压缸动力机构的结构简图如图1所示。本文中用的参数及表达式的定义如下:

　　ps--油源压力

　　po--回油压力

　　qV1--液压缸无杆腔流量

　　qV2--液压缸有杆腔流量

　　p1--液压缸无杆腔压力

　　p2--液压缸有杆腔压力

　　A1--液压缸无杆腔有效作用面积

　　A2--液压缸有杆腔有效作用面积

　　xV--阀芯位移

　　y--活塞位移

　　m--活塞与负载折算到活塞处的等效质量之和

　　F--作用在活塞上的等效外负载

　　k--负载的弹簧刚度

　　Bc--活塞和负载的黏性阻尼系数

　　伺服阀进出液压油的节流窗口面积梯度之比为其中w1、w3为伺服阀与液压缸无杆腔相连的节流窗口1、3的面积梯度;w2、w4为伺服阀与液压缸有杆腔相连的节流窗口2、4的面积梯度。则当n=1时,为对称伺服阀;当0<n<1时,为非对称伺服阀。

　　液压缸两腔有效作用面积之比为:

　　则当=1时,为对称液压缸;当0<<1时,为非对称液压缸。

　　2.1 液压缸正向运动(活塞杆伸出)时,阀控液压缸动力机构的流量方程

　　当液压缸按图1所示y的方向运动时,活塞杆伸出,液压缸为正向运动。此时阀芯位移xV>0,伺服阀进油口的流量方程为:

　　式(1)、(2)中cd--伺服阀窗口的流量系数

　　Q--液压油的密度

　　液压缸活塞的受力平衡方程为

　　忽略惯性、黏性和弹性负载对速度的影响,只考虑外负载F情况下,有: