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1、YANSHAN university液压伺服及比例限制系统三级项目D665型先导式大流量电液伺服比例阀动态响应仿真分析学院:机械工程学院专 业：机电限制工程一班小组成员：候加明吴金亮闫旭指导老师：权凌霄时 间：2017o 06. 18摘要随着液压工业的发展.一般工程系统对闭环限制要求渐 渐提高，而比例阀不能很好应用常运行于零位旁边的位置、 力限制闭环,即使在放大器中设置了阶跃信号发生器，但在性 能上还是不及无零位死区的伺服阀.同时,原来伺服阀加工精 度要求高的缺陷及要求系统油液过滤精度高的冲突渐渐淡化; 对电控器来讲,处理大电流的技术水平大为提高，为运用大电 流、高牢靠性的比例电磁铁供应了前提
2、条件。在这样的技术 背景下，在一般比例技术及伺服技术之间,出现了新的层面上 汲取两者优势而形成的更高一级的比例阀，也常被称为电液 伺服比例阀”。伺服比例阀是采纳比例电磁铁作为电一机械转换元件， 而功率级滑阀又采纳伺服阀的加工工艺，它是比例技术和伺 服技术相结合的结果.伺服比例阀阀芯采纳伺服阀的结构和加 工工艺（零遮盖阀口，阀芯及阀套之间的协作精度及伺服阀 相当），解决了闭环限制要求死区小的问题。它的性能介于伺 服阀及一般比例阀之间,但对油液的清洁度要求低于伺服阀， 特殊适用于各种工业场合的闭环限制。电液伺服比例技术是将微弱的电子信号转换成大的液压功率 输出，用它组成的电液伺服比例系统具有精度高
3、、响应快、 工作牢靠、重量轻、高功率密度、安装便利（柔性）等特点， 因而得到世界各国的重视。在本次三级项目中，我们以D665型大流量电液伺服比例阀为 探讨对象，通过对比例伺服阀的功率级主阀进行受力分析， 选型高响应的先导级限制阀,结合理论分析和MAT1.AB分析、 AMESM仿真和动态特性仿真分析的方法，对高频响大流量比 例伺服阀的进行了探讨,为我们今后学习更多的液压学问打下 基础。关键词：比例伺服阀动态响应 AMESim仿真书目一、绪论11.I引言1Io 2比例伺服阀国内外探讨现状31.3伺服比例阀前景展望3二、D660系列电液伺服比例阀42.1 概念及组成42.2 D660系列伺服比例限制
4、阀简介42o 3 D660系列伺服比例限制阀优点和功能52.3o 1伺服射流先导阀的优点52.3o 2阀的优点52。3。3伺服射流先导阀的工作原理52.3。4多级阀工作原理5三、D665型先导式大流量电液伺服比例阀功率及滑阀受力分析计算63.1稳态液动力63o 2瞬态液动力73o 3滑阀的驱动力8四、建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀的数学四、建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀的数学模型114.1电液伺服阀的方块图9五、采纳AMESim软件建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀仿真模型12六、结论17七、心得体会17一、绪论Io 1引言电液比例阀是针对伺服限制存在的诸如功率损失、
5、对液 压油过滤要求高、制造和维护费用高、而它供应的快速响应 性在一般工业设备中又往往用不着的状况，是在传统开关阀 的基础上发展起来的。电液比例阀可以依据输入电气信号， 按比例对工作油液的压力、流量和方向进行限制。比例阀发展的初期阶段,仅是将比例电磁铁代替一般液压 阀的开关型电磁铁或调整手柄,工作频宽小，稳态滞环大，只 能用于开环系统。20世纪70年头中期至80年头初,比例阀 起先采纳各种内反馈原理，耐高压、比例电磁铁和比例放大 器技术日趋成熟。阀的工作频宽达到5IOHz,稳态滞环降 低到3%左右.20世纪80年头后,比例阀在设计上采纳了压力、 流量、位移内反馈及电校正等手段,使阀的稳态精度、动
6、态响 应和稳定性都有了进一步提高.除了中位仍有部分死区外,其 限制性能及伺服阀更为接近no电液比例阀由于电一机械转换器固有特性的限制，导致 其无论在响应时间还是在响应速度上都不是很快，响应速度 稍快的流量却比较小.目前国内外设计出的电液比例阀，频宽 多数在IOOHz左右p0 o提高比例阀的性能指标如频响和线 性度等,有利于提高比例限制系统的整体特性蚓。伺服比例阀是一种在结构、性能、牢靠性、价格上界于 伺服阀及常规比例阀之间的比较新型的电液限制阀，伺服比 例阀是比例阀中动态响应性能最接近伺服阀的，虽然频率和 敏感度比不上伺服阀,但是它无零位死去,高精度、高频响、滞 环小，对油液的清洁度要求比伺服
7、阀低，具有更高的工作牢 靠性和实际应用性.表1从不同角度列出了常规比例阀和伺服比例阀的性能对比。 可见，及常规比例阀相比，伺服比例阀频响和加工精度高、 零位无死区、滞环小和重复精度高。表常规比例阀、伺服比例阀性能对照表常烧比例阀伺服比例阀频响(HZ)-3030150滞环(%)130.1重复精度()0.5-10.1领宽(HZ)25100中位死区有无加工精度IONm 短Dm级表2对不同厂家的伺服比例元件的性能做了对比。可见， 伺服比例阀的性能已远远优于常规比例阀，在工业应用场合 有自己的优势。表2主要性能对照表生产商国的 型号滞坏(%)晌应时间 (ms)第精度 (%)(Hz)Rcxroth4 WR
8、1.0.1.几乎 测不出400.180ParkcrD31FH0.1250.05IOOAtosnczo如150.180华德4WRE155150由比例阀发展而来的伺服比例阀在结构上具有如下特点: 利用大电流的比例电磁铁作为电一机械转换器，限制电流可 达1-2. 7A;首级采纳伺服阀的阀芯阀套;(首级、主级)阀口零 遮盖;首级阀口压降及伺服阀一样,为供油压力的1 / 3,如有二 级，则二级阀口压降保留比例阀水平(O. 50. 7MPa)。这 种伺服比例阀无零位死去,可以用于各种闭环系统,因而加工 精度及过滤精度要求及伺服阀基本相同;频响较一般比例阀高, 牢靠性比一般伺服阀高.1.2 比例伺服阀国内外
9、探讨现状目前德国Bosch-Rexroth公司、意大利Atos公司均有 成熟的伺服比例阀产品,其动态特性较比例阀大为改善，频宽 可达4080Hz,并且可达到滞环和重复精度小于0. 1%的高稳 态限制精度。例如，Atos公司的D1.KZOR型伺服比例阀的阶跃 响应时间就不超过15ms,其驱动元件均采纳电子线路内置的 高响应比例电磁铁，该电磁铁是在传统比例电磁铁基础上进 行了结构参数优化而获得的；Bosch . Rexroth公司的 4WR1. NG1.O型伺服比例阀的阶跃响应时间也不超过4011s, 几乎没有滞环,动态响应特性高。国内，西南交通高校的张弓探讨的超高速电液比例阀,采 纳8片瓦型有气
10、 隙HaIbaCh磁化阵列型动圈式电.机械转换 器,使得试验频宽达到300Hz / - 3dB,响应时间为0. 004S； 太原理工高校的许小庆对高响应、新结构电一机械转换器做 了深人探讨，提出了采纳异型永久磁铁,其驱动力可提高7% 以上；武汉科技高校的文广设计了伺服比例阀的数字实时限 制系统,提高了其限制性能，实现了其实时闭环限制；中国船 舶重工集团第七O四探讨所研制的射流管伺服比例阀，采纳 前置独立式直杆型射流放大器、旁置式过滤器及过滤模块等 新技术，进一步提高了整阀的抗污染性能并降低了生产成本。在比例阀向着更高层次发展的同时，高性能的伺服阀也 向着更适用于工业场合运用的方向发展,也称为伺
11、服比例阀 （或比例伺服阀）.穆格公司的D660系列就是其中一种。以 D661伺服比例阀为例，该阀采纳了阀芯电反馈、取消阀套结 构以降低加工难度、采纳抗污染实力强的射流管先导级。射 流管先导级由力矩马达、射流管和接收器组成,它有以下工作 特点：大大改善了流量接受效率（90%以上的先导级流量被利 用），使得能耗降低；性能牢靠，射流放大器有很高的压力效 率80%以上，可供应应功率级阀芯较大的驱动力，提高了阀 芯的位置重复精度；最低先导级限制压力小,可用于像汽轮机 限制一类的低压系统中。1.3 伺服比例阀前景展望伺服比例阀是伺服技术及比例技术结合的产物,是技术进 步的一种必定.伺服比例阀将朝着以下几个
12、主要方向发展：1）集成化 由于微电子技术的快速发展，使得阀及传感 器、放大器等实现了一体化，应进一步发展带内反馈、自补 偿、自调整及自校正的高性能伺服比例阀，实现机电液的一 体化发展.2）规范化目前,国际、国内液压公司生产的伺服比例阀 品种齐全、种类众多,但基本都是各自为政、标准不一，非常 不利于伺服比例阀的进一步发展。所以，实现规范化将是必 定趋势。3）数字化 伺服比例阀是液压系统中的关键限制元件,其 限制方式的数字化将推动液压工业向智能化、自动化、集成 化的方向发展.4） 一体化 我国的液压工业及国外相比，还存在着相当 大的差距，液压元件的探讨和生产水平已成为衡量一个国家 液压水平的重要标
13、准，为了推动我国液压工业的快速发展， 国内公司有必要实现一体化发展。二、D660系列电液伺服比例阀2o 1概念及组成电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件.它能 够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号（流量及 压力）输出.在电液伺服系统中，电液伺服阀将系统的电气部 分及液压部分连接起来，实现电、液信号的转换及放大以及 对液压执行元件的限制。电液伺服阀是电液伺服系统的关键 部件，它限制精度高、响应速度快,是一种高性能的电液限制 元件,在液压伺服系统中有广泛应用。D665型大流量电液伺服 比例阀就属于电液伺服阀。2o 2 D660系列伺服比例限制阀简介D660系列系列伺服比例限制阀由穆
14、格公司生产，是应用 于两通、三通、四通和五通的节流型流量限制阀。这些阀适 用于电液位置、速度、压力或电液力限制系统，以及其它须要较高的动态响应要求的限制场合.2.3 D660系列伺服比例限制阀优点和功能2o 3。1伺服射流先导阀的优点1）明显改善了流量利用率（90%以上的先导级流量被利 用），有助于降低能耗；2）伺服射流管先导阀具有很高的无阻尼自然频率 （500hz）,因此这种阀的动态响应较高；3）性能牢靠，具有很高的压力效率；4）可用于低压系统中；5）理论上寿命是无限的；6）具有优异的静态和动态响应特性。2o 3o 2阀的优点1）超大流量阀体流道设计，并可选择运用X和Y 口进行 先导级外控、
15、外泄；2）减小主阀芯的驱动面积，从而改善动态响应，使较小 的先导级流量也能驱动阀芯快速运动；3）在短路、失电或者油源失压时使主阀芯处于平安位置;4）单级或二级先导限制。2。3.3伺服射流先导阀的工作原理伺服射流管先导阀主要由力矩马达、喷嘴挡板和接收器 组成.当线圈中有电流通过时，产生的电磁力使挡板偏离中位。 这个偏离和特殊形态的喷嘴设计使得当挡板偏向一侧时造成 先导阀的接收器产生偏差.此压差干脆导致阀芯两侧驱动力产 生偏差，推动主阀芯产生位移。先导阀的泄漏油通过喷嘴环 形区域处的排出通道流回回油口。2o 3o 4多级阀工作原理主阀芯的位置闭环限制是由阀内限制电路来实现的。一 个电气指令信号作用
16、于集成电路位置限制器并由此来驱动阀 线圈。位置传感器通过震荡器测出主阀芯实际位移。此信号 被解调并反馈至限制器及指令信号相比，得出的偏差信号驱 动先导级从而使主阀芯产生位移，直至指令信号及反馈信号 之间偏差为零.由此得到主阀芯位移及指令电信号成正比.三、D665型先导式大流量电液伺服比例阀功率及 滑阀受力分析计算液流流经滑阀时，液流速度的大小和方向发生改变，其 动量改变对阀芯产生一个反作用力，这就是作用在阀芯上的 液动力。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力两种.稳态液动 力及及滑阀的开口量成正比,瞬态液动力及滑阀开口量的改变 率成正比.稳态液动力不仅时滑阀的操纵力增加，并能引起非线性 问题，瞬态
17、液动力在肯定条件下引起滑阀不稳定。3.1 稳态液动力稳态液动力是在阀口开度肯定的稳定流淌状况下，液流 对阀芯的反作用力。稳态液动力的方向总是指向使阀口关闭 的方向。由动量定理求得稳态轴向液动力为 Fs = PqVCGSe由柏努利方程可求得阀口射流最小断面处流速为C为速度系数，C=O%通过志向矩形阀口的流量为Cd为流量系数= 2CrCdWXyApcos = KfXv陷为稳态液动力刚度，恪=2CCcosO对于志向滑阀,射流角6 = 69。，取Cd=O.61 有尺=0.43V%Ap对于零开口四边滑阀的稳态液动力有产,=0.43叔S于空载时（马=）达到最大值% =0.43似上全周开口,阀芯直径W =
18、Tid = 20A2cmFsO = 04320.42x10-231.51066IO3 = 16598 6N3.2 瞬态液动力由动量改变得瞬态液动力有d dv dqF, = m- = p1.Av = p1.,dt dt dtFYW邙蕨 *Bf.Bf为阻尼系数Bf= CdW1.SaP对于零开口四边滑阀来说 AFi=(1.2-1.i)CdW p(Ps-P1.)-由样本，知道阻尼长度为230PATBXY0500500500500112011.2X114.382.541.3147.641.3168.3y35123.835123.8130 244.51.2=82.5-41。3=41.2 mm1=114o
19、3-82o 5=31.8 mm1.2-=41o 2-31.8=9o 4mm其中1.i为负阻尼长度/2正阻尼长度F1 = 9.4 10 3 0.61 28.88 10 / KP +(1 + +)(& + 弓 MWKWvya为避开伺服放大器特性对伺服阀特性的影响，通常采纳电流负反馈伺服放大器，以限制线圈回路的转折频率Wa1很高，则京近似等于0,则力矩马达小闭环的传递函数为 85( - ) - = 108 TV瞬态液动力的方向始终及阀腔内液体的加速度方向相反, 据此可以推断瞬态液动力的方向.3o 3滑阀的驱动力依据阀芯运动时的力平衡方程式,可得阀芯运动时的总驱 动力Fi = / 耍 + (, + %
20、)今 + KfX, + F1.注：以一.阀芯及阀腔油液质量以.一阀芯及阀套间的粘性摩擦系数耳一随意负载力850X 33.2 X IO-4 X 67 103 X 2+7780 33.2 IOT X mv =6 10-3 X 3 X 2+7780X 33.2 104 X (67 2 6) 103=4o 9 Kg则稳态液动力刚度,Kf =3.9 义 INN1.m四、建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀 的数学模型4.1电液伺服阀的方块图ApAvs(Ts 1)4POA3WXvomts3AhKc / s4p(043UKq32)2 / KbKmfMmfKqP& 2式中Wmf为衔铁挡板组件的固有频率，W
21、mf =arnf为由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比,C何+ fp)W的对力反馈回路进行化简有滑阀的固有频率 P很高，故滑阀动态性能可以忽视。 简化后的力反馈回路方框图如下图所示因此，力反馈伺服阀的传递函数为:2K典XV= (Re + %)(r + b)K, 4 展+ 1)( 三 s + 1.)伺服阀通常以电流1作为输入参数，以空载电流q=/作为输出参量.此时,伺服阀的传递函数可表示为2 二KSV式中：人一伺服阀的流量增益，在大多数电液伺服系统中,伺服阀的动态响应往往高于动态原 件的动态响应。为了简化系统的动态特性分析及设计，伺服 阀的传递函数可以进一步简化，一般可用二阶振荡环节表示。 假如伺服
22、阀二阶环节的固有频率高于动力元件的固有频率， 伺服阀传递函数还可用一阶惯性环节表示，当伺服阀的固有 频率远大于液压动力元件的固有频率，伺服阀可看成比例环 节。二阶近似的传递函数可由下式估计：式中：4V伺服阀固有频率QV伺服阀阻尼比由自动限制原理可知,对各种不同的G值，有一条对应的相频 特性曲线。将伺服阀的相频特性曲线及此比照，通过比较确 定QV值。一阶近似的传递函数可由下式估计：式中：Av 一伺服阀转折频率，= Ef或取频率特性曲线上 相位滞后45所对应的频率.丫 =6.1。Ksv 1所以五、采纳AMESim软件建立D665型先导式大流 量电液伺服比例阀仿真模型仿真模型部分参数设置Extern
23、a1. variab1.esParasetersTit1.eVa1.ueUnitTagsindex of hydrau1.ic f1.uid0index of hydrau1.ic f1.uid0piston diameter100mmrod dianeter0mmcha*ber 1.ength at zerodisp1.ace”，0mmParaBetersTit1.eVa1.ueUnitTags ve1.ocity with first order 1.ag use Cou1.omb and stiction friction 1.ower disp1.acement 1.imit high
24、er disp1.acement 1.imit0 m/s yes -0. 006 m 0. 006 mSub*ode1-friction and e1.astic end stops (real time)ass_friction_endstops 1ASO11RTSubsode1.e1.ect01_1. GAOOExterna1. variab1.es gainParaietersTit1.eVa1.ueUnitTagsva1.ue of gain 150 nu1.1.Subsode1.RpressuresourceeI PSOOpiecewise 1.inearExterna1. vari
25、ab1.es Ihydrau1.ic pressure1sourceParaMetersTit1.eVa1.ueUnitTagsnuber of stages3cyc1.icnotine at vhich dutycyc1.estartsOspressure atstart of stage1315barpressure atend ofstage1315bar时域分析I VKO-I U1. wi* ImUI t STtn-I Qy f E (mU)则由此可以得出：频宽为W/6.42HZ幅值穿越频率为5.2：1.HZ相角裕度为32.7度 相角穿越频率为15.62HZ六、结论D665型电液比例伺
26、服阀属于力反馈伺服阀,D665型电液 比例伺服阀最终可以简化为。伺服阀的频宽主要是由开环增益确定的,增大开环增益 可以提高伺服阀的频宽，但是系统的稳定性会降低,所以要加 入相应的校正环节。七、心得体会通过本次项目的实际操作，对课本的学问有了更深一步 的理解，初步了解了如何将本科的实际理论学问运用到实际 中去。我们也对滑阀、喷嘴挡板阀和一些先导阀的内部结构， 工作原理有了进一步的理解，学会了如何对滑阀进行受力分 析，对在计算过程中须要留意的地方也明确了很多，例如： 明确了如何确定阻尼长度。在项目的过程中,也知道了如何利 用已有产品的样本解决问题,会初步运用样本，对以后的工作 打下了肯定基础。还有
27、，在建立系统的数学模型的时候,对方 块图和传递函数的建立有了肯定驾驭,也驾驭了肯定的简化传 递函数的算法.在数学模型建立后，通过课本上的学问,可以对 自己做的系统进行稳定性分析，当然还不是很娴熟，也有些 问题不明白.同时,在用AMEsim进行仿真时，学会了如何搭建 系统，在老师的指导下学会了怎么进行系统的参数设置，但 是，还不能娴熟运用，所以对一些参数进行设置时仍不知所 措,以至于未能得出能够满意系统的全部稳定图线，所以仍须 要接着学习,进一步加强自身。【参考文献】11王春行.液压限制系统.机械工业出版社.2010【2】孔祥东.王益群。限制工程基础.机械工业出版社.2008【3】付永领.祁晓野。AMESim系统建模及仿真.北京航空 航天高校出版社20064刘小初。叶正茂.韩俊伟.肖林。基于AMESim软件 的三级电业伺服阀建模及仿真.机床及液压。2008
