4.4液动力对阀芯的影响
在带有直驱式伺服阀(译者注:比如MOOG的D633和D634伺服阀)的执行机构系统中,作用在阀芯上的液动力将会影响阀芯位置。液动力作为正负载压力反馈,这意味着减少了系统中的液压阻尼。为了减少这种影响,阀芯定位系统刚度必须足够大,以便由液动力引起的阀芯偏转很小。通过在力马达(磁铁)和阀芯之间引入弹簧,可以研究液动力的影响。如图4-12所示。
图4-12 带有阀芯反馈的位置伺服系统
参考图4-12,衔铁位置(x a)可以表示为 Xa=i Km,其中km是磁铁的力系数。在四通阀中,两个节流孔的液动力保持不变,这使得总的稳态液动力为:
(译者注:这是稳态液动力的表达式。具体推导过程参考梅里特《液压控制系统》一书,第115-117页。Φ为射流角,如果阀芯的锐边做得很好,该角为69°。该射流角是由冯.密赛斯求出的。)
阀芯上的力平衡方程,可用下式表达:
将力平衡方程线性化,Xv和PL作为变量,则:
在这个方程中,忽略了伺服阀动态。如果伺服阀带宽远高于系统的固有频率,该式是成立的。滑阀位移可表述为:
将方程(4-30)用方框图的形式表示出来,如图4-13所示:
(译者注:很多人对方框图怎么画出来的不太清楚,如果用过matlab simulink的话,应该会比较容易理解:就是将方程中每个参数用独立的模块表示出来,比如△i.Km.Ka,用前向通道中单独的三个方块表示;加和减用反馈节点表示)
图4-13 考虑阀芯液动力的位置伺服系统
(译者注:这个方框图要结合前几节4-7和4-11看。将此处求得的△Xv带入前面4-7方框图,即可求得4-13的方块图)
图4-13显示了液动力作为正负载压力(pl)反馈。(译者注:根据方程4-30,△i.Km.Ka+△PL.Kfp。也即△PL通过反馈增益Kfp,与△i.Km.Ka形成正反馈。)
众所周知,阀门和油缸的流量/压力系数(kce)作为负载压力负反馈(译者注:前面讲到过,流量压力系数与阀控缸系统的阻尼系数相关)。因此,将这些影响(正反馈和负反馈)结合起来,看看最终的kce值会有什么变化是很有趣的。将方框图化简成图4-14所示的形式:
图4-14 液动力反馈的方块图
如果考虑正负载压力反馈,将其加入到主传递函数中,这将得出kce值为,
方程式(4-31)表明,K※ce<Kce,因为液压阻尼是与kce值成比例的,作用在滑阀上的液动力确实会降低液压阻尼。因此,对于一个好的阀门,重要的是设计力马达,使其刚度(在这个模型中为ka)远高于液动力的弹性系数Kfx。采用这种设计,液动力的影响将会很小。
译者注:当液动力很大时,阀将变得不稳定。比如有些开关阀,如果设计不合理,在高压大流量下,阀芯会瞬间自动关闭。因为稳态液动力总是指向阀芯关闭的方向。这也是为什么很多单级阀只能用在低压或者小流量工况下。比如MOOG的D633伺服阀,最大额定流量为40L,因为其力马达最大推力为200N。D634最大额定流量为90L左右,其力马达推力为300N。为了
解决液动力的问题,除了对阀芯做特殊结构设计外,还可以用液压力来平衡液动力的影响。比如多级阀,先导阀输出液压力作用于主阀芯两侧,来抵消液动力影响。下面公式是流量-压力系数与液压阻尼的关系式:
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