直動式三通電液比例減壓閥動態性能研究

摘 要：建立了直動式三通電液比例減壓閥傳遞函數，對不同出口容腔體積時的動態響應特性進行了試驗，分析與試驗表明合理設定出口容腔體積可使比例減壓閥得到高的動態響應，為工程上需要高響應比例減壓閥提供了設計依據。

關鍵詞：直動式電液比例減壓閥 動態特性 傳遞函數 出口受控容腔體積

中圖分類號：TH137.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（b）-00-02

The investigation on dynamic characteristics for direct operated electro-hydraulic three way proportional pressure reducing valve

Yao Jia

Electronic and Information Engineering Department of Changsha Social Work College Changsha，China，410004

Abstract：The transfer function for direct operated three way proportional pressure reducing value is presented. The dynamic characteristic of the valve are simulated for different outlet volume. Simulation analysis and experiment show that reasonable set the valve cores outlet control volume size can enable the proportional pressure reducing valve have high dynamic characteristic. It provided design basis on the proportional pressure reducing valve which want to have high frequency-response characteristic.

Key words：direct operated electro-hydraulic proportional pressure reducing valve； dynamic characteristic； transfer function； outlet control volume

目前工業中液壓制動系統的應用越來越廣泛，對其制動的快速性提出了更高的要求。直動式電液比例減壓閥是制動系統中的一個關鍵部件，為了制動系統實現自動控制，需要響應速度快的電液比例減壓閥完成對制動器的控制，該文通過理論分析與試驗，研究了直動式三通電液比例減壓閥的動態特性，得到了影響其動態特性的直動式比例減壓閥的設計參數，為工程上需要高動態響應比例減壓閥提供了

參考。

1 直動式電液比例減壓閥數學模型

圖1 直動式電液比例減壓閥原理圖

直動式三通比例減壓閥結構原理如圖1所示。減壓閥口處于常閉狀態，閥芯右端面作為出口壓力的測壓面，節流閥作為比例減壓閥負載。比例電磁鐵產生推力，閥芯向右移動，閥口全開，液壓油由P1口流入A口，出口壓力P2作用在閥芯右端的小活塞上，當負載增加，出口壓力增加，當出口壓力產生的推力與電磁力達到平衡時，閥芯向左移動，關小閥口，使出口壓力不再增加，實現對出口壓力的控制，如果出口壓力對閥芯的作用力大于電磁力，閥芯左移，A口與T口相通，使A口壓力下降，直到閥芯處于新的平衡位置[1]。

根據上圖所述直動式三通比例減壓閥的結構原理建立直動式比例減壓閥的數學模型如下：

（1）閥芯受力方程[2]

（1）

式中：M—閥芯質量，Kg；

BV—閥芯的粘性阻尼系數，N.s/m；

Bt—瞬態液動力阻尼系數，N.s/m；

KS—液動力彈簧剛度，N/m；

K1—復位彈簧剛度；N/m；

（2）比例電磁鐵輸出力方程，因為比例電磁鐵控制器的響應特性比比例減壓閥要快很多，為便于分析，此處設

（2）

式中：K2—比例電磁鐵的電流-力增益系數，N/A；

（3）減壓閥出口流量—壓力方程[3]

（3）

線性化有： （4）

式中：p1—減壓閥進口壓力，Pa；

W—閥口面積梯度，m；Cd—閥口流量系數；

ρ—工作油液密度，kg/m3；

，流量增益系數；

，壓力增益系數；

；

PA1、PA2為穩定工作點P1和P2的壓力值；

xA為穩定工作點閥芯位移。

（4）流量連續方程，在負載流量為零時有[4]

（5）

式中：V—出口受控容腔液體總容積，m3；

E—油液的體積彈性模量，N/m2

由式（4）、（5）可得：

（6）

將式（1）拉氏變換得：

（7）

將式（2）拉氏變化得：

（8）

將式（8）代入式（7）得：

（9）

將式（6）拉氏變換得：

（10）

由式（10）可得：

（11）

代入式（9）中得：整理后可得：

從上面的傳遞函數可以知道，直動式比例減壓閥的傳遞函數是一個三階系統，從中可以看出，直動式電液比例減壓閥的動態特性除與閥本身參數和特性有關外，與電液比例減壓閥出口容腔的大小密切

相關。

2 直動式電液比例減壓閥動態試驗

圖2 比例減壓閥試驗系統圖

該比例減壓閥試驗測試系統如圖2所示，主要由變量泵、溢流閥、節流閥、壓力傳感器、流量傳感器、流量計、壓力計和被測比例減壓閥組成[5]。

輸入電信號階躍特性響應試驗：調節液壓泵的流量為被試閥的試驗流量的1.25倍，調節溢流閥3的壓力為額定壓力。關閉電磁換向閥4和節流閥5a，調定輸入電信號使被試閥輸出壓力為75﹪額定壓力。調節加載節流閥5b使通過被試閥的流量為試驗流量。階躍輸入電信號至調定值，直至輸出壓力達到穩定；然后再階躍斷開輸入電信號，同時記錄階躍信號和輸出壓力，即得到輸入電信號階躍響應特性曲線。

考慮到體積V在實際中連續改變比較困難，該文只對體積V為1.6×10-4m3和

136×10-4m3時兩種狀態下進行了試驗研究。

圖3為在體積V為1.6×10-4m3和136×10-4m3兩種狀態下輸入電信號階躍響應特性曲線，分析圖3（a）可以知道，閥此時的壓力響應時間為0.24 s，壓力上升平穩，響應時間短，超調量小，分析圖3（b）可以知道，閥的壓力響應時間為2 s，響應時間長。從這兩個圖可以看出，在其它試驗參數一定的情況下，體積V為1.6×10-4m3時的階躍響應時間比體積V為136×10-4m3時的響應時間要小很多。試驗表明，直動式電液比例減壓閥的動態特性與出口受控容腔體積密切相關，與理論分析一致。

圖3 比例減壓閥輸入電信號階躍響應曲線

3 結語

通過對直動式電液比例減壓閥理論和試驗研究，得出以下結論。

（1）理論分析得出直動式電液比例減壓閥動態特性與本身結構參數相關外，與出口容腔體積密切相關。

（2）試驗表明，減小出口容腔體積可使比例減壓閥得到好的動態特性，該文研究的直動式電液比例減壓閥在體積V為1.6×10-4m3時的響應時間較小。

參考文獻

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[2] Dasgupta K，Watton J. Dynamic analysis of proportional solenoid controlled piloted relief valve by bond graph [J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2005，13（1）：21-38.

[3] 姚佳.基于simulink的電液比例溢流閥頻響仿真[J].液壓氣動與密封，2009（2）：38-40.

[4] 韓虎.基于MATLAB液壓系統的仿真技術研究與應用[J].液壓氣動與密封，2007（3）：4-5.

[5] 胡燕平，諶鐸文.模塊式液壓閥試驗系統研究[J].實驗技術與管理，2006（1）： 24-26.