节流阀节流调速系统速度平稳性分析

　　0 引言

　　液压系统在工作进给到达终点时,外负载会突然骤减甚至消失,这使液压执行元件产生一个很大加速度,致使其运行速度突增,即出现液压前冲现象;另外,液压系统在一工进转为二工进外负载骤增时,亦会造成液压执行元件速度突降。这些液压执行元件的速度突变会导致机械部件间的相互冲撞,造成振动、噪声乃至部件的损坏。此外,外负载的突变亦会在液压系统内部产生很大的压力和流量脉动,致使油液外泄,噪声增大,从而影响液压元件的使用寿命。随着液压技术和工程要求的不断提高,液压速度平稳性研究日显重要。本文摈弃传统较为简单的节流阀节流调速系统模型,以包含液压泵、溢流阀、节流阀和执行元件的较为完整系统取代之,并建立其数学模型,通过仿真计算和分析,提出了减缓或消除液压前冲和速度波动的方法,旨在为提高液压调速系统速度平稳性提供参考和借鉴。

　　1 系统数学模型

　　节流阀节流调速系统由液压泵、溢流阀、节流阀和执行元件组成,调整节流阀阀口的大小可以控制执行元件的运行速度,该调速系统可分为进油路节流、回油路节流、进回油路节流、旁油路节流调速等多种形式,而前三者最为常用(见图1)。图2是进油路节流阀节流调速系统结构简图。在忽略管道液阻、液容和液感、各元件瞬态液动力、液压缸泄漏、油温变化对液压油黏度和体积弹性模量的影响的前提下,运用力平衡方程式、液容方程、流量连续性方程、节点流量方程等,可建立图2所示节流阀进口节流调速系统的数学模型。

　　式中 A—液压缸有效面积

　　F—外负载

　　C—流量系数

　　W—面积梯度

　　V—液压缸体积

　　g—液导

　　β—阻尼力

　　对方程组中式(3)、(6)、(7)作以下修改:

　　可得到节流阀出口节流调速系统的数学模型。对方程组中式(6)作如下修改,并增加式(8):

　　可得到节流阀进-出口节流调速系统的数学模型。

　　2 系统动态速度变化成因

　　节流阀节流调速系统在工作进给过程、外负载突然变化时,液压缸受力即刻失去平衡,使液压腔内的液压能迅速变化(积聚或释放),该液压能的变化值转化为等量的液压缸动能增量,使液压缸产生正或负加速度。例如,图2系统在工作进给运行至终点时,外负载的突然消失使液压缸无杆腔压力pgin突降,这表明原积聚在液压缸无杆腔的液压能已予释放,并造成了液压前冲;同时,pgin的突降导致节流阀两端压差(pp-pgin)骤升,使经节流阀流入液压缸流量增加,从而不断向液压缸无杆腔补充液压能,保持液压前冲的进行,尽管此时流入液压缸的流量qgin增加,但由于液压缸无杆腔内的压力pgin骤降,仍造成液压缸内的液压能下降。图3中曲线(1)~(3)和曲线(6)~(4)显示了外负载从t=011+s时突减和突增100%、60%、30%后的液压缸速度v变化曲线。