D665型先導式電液伺服比例閥響應仿真分析

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1、 目錄 一、 任務書———————————————— 2 二、 研究目的——————————————— 4 三、 工作原理——————————————— 4 四、 滑閥受力分析與計算—————————— 4 五、 D665 型閥的數(shù)學模型—————————— 8 六、 D665 型閥的仿真模型—————————— 11 七、 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析——————————— 13 八、 項目心得——————————————— 14 九、 參考文獻————

2、——————————— 15 0 一、任務書 課題一、 D665 型先導式大流量電液伺服比例閥動態(tài)響應仿真分析 一、研究目的 采用 AMESim 軟件仿真分析手段，通過本課題的完成，使學生對液壓滑閥及電液伺服閥的相關理論進行更為深入的學習，重點掌握以下知識點： 1) 滑閥受力分析； 2) 兩級先導式大流量電液伺服閥的工作原理； 3) 兩級先導式大流量電液伺服閥的動態(tài)響應分析 (時域分析、頻域分析 )；

3、 4) 簡要總結得出影響伺服閥動態(tài)特性的因素。 二、設計參數(shù) 序號 參 數(shù) 項 參 數(shù) 值 單 位 備 注 1 開口型式 零開口 2 主閥芯行程 6 mm 3 主閥芯驅動面積 33.2 cm2 標準閥芯 4 主閥芯型式 圓形 5 主閥芯長度 74 mm 6 先導閥 D631 伺服閥 MOOG 7 閥芯材料 0Cr17Ni4Cu4Nb 8 流量系數(shù) Cd 0.61 9 速度系數(shù) Cv 0.98 10 油液密度 850 Kg/m 3

4、 11 油液粘度 32 mm 2/s 12 工作溫度 40 ℃ 13 額定流量 1000 L/min 14 工作壓力 31.5 MPa 15 反饋環(huán)節(jié)型式 5 ms 位移電反饋 三、設計要求及完成過程 本課題研究內容如下： 1) D665 型先導式大流量電液伺服比例閥功率級滑閥受力分析計算； 2) 建立 D665 型先導式大流量電液伺服比例閥的數(shù)學模型； 3) 采用 AMESim 軟件建立 D665 型先導式大流量電液伺服比例閥仿真模 型； 4) 得出該閥的時間響應曲線和頻率響應曲線，得出閥的頻

5、寬。課題研究過程如下： 1) 每人結合自己的研究過程，提交課題一份研究報告，研究報告不得雷 同； 1 2) 報告完成后，組長組織成員對所有報告進行評議，并打分； 3) 導師對每名學生的研究報告進行品議，并打分； 4) 一份匯總研究報告和匯報 PPT，完成后，向答辯委員會提交申請； 5) 組織答辯，并打分。 四、提交形式 1) 個人研究報告； 2) 匯總研究報告； 3) 匯報 PPT

6、 2 二、 研究目的 采用 AMESim 軟件仿真分析手段，通過本課題的完成，使學生對液壓滑閥及電液伺服閥的相關理論進行更為深入的學習，重點掌握以下知識點： 1) 滑閥受力分析； 2) 兩級先導式大流量電液伺服閥的工作原理； 3) 兩級先導式大流量電液伺服閥的動態(tài)響應分析 (時域分析、頻域分析 )； 4) 簡要總結得出影響伺服閥動態(tài)特性的因素。

7、 三、 工作原理 （ 1）伺服噴嘴擋板先導閥工作原理 伺服射流管先導閥主要由力矩馬達、 噴嘴擋板和接收器組成。 當線圈中有電流通過時， 產生的電磁力使擋板偏離中位。 這個偏離和特殊形狀的噴嘴設計使得當擋板偏向一側時造成先導閥的接收器產生偏差。 此壓差直接導致閥芯兩側驅動力產生偏差， 推動主閥芯產生位移。 先導閥的泄漏油通過噴嘴環(huán)形區(qū)域處的排出通道流回回油口。 （2）多級閥工作原理 主閥芯的位置閉環(huán)控制是由閥內控制電路來實現(xiàn)的。一個電氣指令信號 作用于集成電路位置控制器并由此來驅動閥線圈。 位置傳感器通過震蕩器 測出主閥芯實際位移。 此信號被解調并反饋

8、至控制器與指令信號相比， 得 出的偏差信號驅動先導級從而使主閥芯產生位移， 直至指令信號與反饋信 號之間偏差為零。由此得到主閥芯位移與指令電信號成正比。 四、 D665型先導式大流量電液伺服比例閥功率級滑 閥受力分析計算 操縱滑閥閥芯運動需要先后克服各種阻力，其中包括：閥芯質量的慣性力，閥芯與閥套間的摩擦力，閥芯所受的液動力，彈性力和任意外負載力。 （一） 作用在滑閥閥芯上的液動力 液動力分為穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力 1）、穩(wěn)態(tài)液動力 由動量定理求得穩(wěn)態(tài)軸向液動力為 3 =

9、 由柏努利方程可求得閥口射流最小斷面處流速為 v= 為速度系數(shù)， =0.98 通過理想矩形閥口的流量為 q= W 為流量系數(shù) 聯(lián)立有 =2 W = 為穩(wěn)態(tài)液動力剛度， =2 W 對于理想滑閥，射流角 = ，取 =0.61 有 =0.43W 對于零開口四邊滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力有 （ ） 于空載時（ ）達到最大值 = 全周開口，閥芯直徑 d= =6.5 cm W= d=20.42cm =0.43 =16598.16N 穩(wěn)態(tài)液動力的方向總是指向使閥口關

10、閉的方向。 4 2)、瞬態(tài)液動力 由動量變化得瞬態(tài)液動力有 = m = = = 對于零開口四邊滑閥來說 =（ ） 由樣本，知道阻尼長度為 知 82.5-41.3=41.2 mm 5 =114.3-82.5

11、=31.8 mm =41.2-31.8=9.4 mm 其中 為負阻尼長度， 正阻尼長度 =9.4 =108 N 瞬態(tài)液動力的方向始終與閥腔內液體的加速度方向相反， 據此可以判斷瞬態(tài)液動力的方向。 3)、滑閥的驅動力 根據閥芯運動時的力平衡方程式，可得閥芯運動時的總驅動力 = +( ) + 閥芯與閥套間的粘性摩擦系數(shù) ——任意負載力 有 850 +7780 6 6

12、 +7780 =4.9 Kg 則穩(wěn)態(tài)液動力剛度， =3.9 N/m 五、建立 D665型先導式大流量電液伺服比例閥的數(shù) 學模型 圖1、電液伺服閥的方塊圖 由該題目中反饋環(huán)節(jié)型式為位移電反饋可知， 上面方塊圖中的力反饋環(huán)節(jié) 應用慣性環(huán)節(jié) 代替轉換為位移反饋通道， 并且 反饋環(huán)節(jié)應 該去掉。

13、 7 那么，可以計算得到傳遞函數(shù)為 其中，有 為避免伺服放大器特性對伺服閥特性的影響，通常采用電流負反饋伺 服放大器，以控制線圈回路的轉折頻率 很高，則 近似等于 0，則力矩 馬達小閉環(huán)的傳遞函數(shù)為 （ s）= 式中 為銜鐵擋板組件的固有頻率， = 為由機械阻尼和電磁阻尼產生的阻尼比，

14、 8 = 對位移反饋回路進行化簡有 滑閥的固有頻率 很高， ，故滑閥動態(tài)可以忽略。 r 圖 2、簡化后的位移反饋回路方塊圖 則位移反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為 G(s)H(s) = 式中 為位移反饋回路開環(huán)放大系數(shù)， 位移反饋回路的穩(wěn)定條件為 處的諧振峰值不能超過零分貝線，

15、 9 即 <2 六、采用 AMESim 軟件建立 D665型先導式大流量電 液伺服比例閥仿真模型 通過樣本，查詢得到 D665型大流量電液伺服比例閥的各項參數(shù)，利用 AMESim 軟件搭建符合題目要求的液壓系統(tǒng)圖，設定參數(shù)后，進行仿真，得到所需的時域曲線和頻域曲線。 圖 3 利用 AMESim 搭建的閉環(huán)

16、系統(tǒng)圖 系統(tǒng)搭建完進行參數(shù)設置后，通過調節(jié) PID中的各項參數(shù)來調節(jié)本系統(tǒng)的曲線走向，可以得到各項曲線。 10 時域曲線： 位移曲線 頻域曲線：根據開環(huán)系統(tǒng)得出 8 伯德圖 則由此可以得出 ：頻寬為 =6.42Hz 幅值穿越頻率為 5.21Hz 相角裕

17、度為 32.7度 相角穿越頻率為 15.62Hz 11 幅值裕度 17.03dB 七、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 (1) 先導級小球磨損， 對于位置控制系統(tǒng)， 三級電液伺服閥基本工作在零位，小球與閥芯基本為點接觸，久而久之， 小球磨損形成的非線性特性會影響三級電液伺服閥的穩(wěn)定性的現(xiàn)象， 只有更換三級電液伺服閥先導級小球才能解決。 (2) 主閥常見的問題是閥芯凸臺棱邊的磨損，即閥芯臺階的直角邊被磨鈍，造成內泄漏增大，壓力增益降低，閥分辨率降低，系統(tǒng)誤差增大。誤差過大時也會造成三級電液伺服閥的控制精度超差， 形成廣義不穩(wěn)定現(xiàn)象， 使

18、 伺服系統(tǒng)表現(xiàn)出振蕩。 在磨損不嚴重、 增益降低不大的情況下可調高伺服放大器增益，必要時需要配合 PID調整，將誤差調至正常范圍。 (3) 三級電液伺服閥先導級被臟物堵塞時，會降低先導級增益，引起誤差增大，形成廣義不穩(wěn)定 ，需要徹底清洗整臺閥。 除了自身的因素外，還有外界的影響，比如管道效應、元件組合不合理、機構彈性的影響、壓力控制閥引起的不穩(wěn)定等，這些都可以使三級電液伺服閥表現(xiàn)出不穩(wěn)定。

19、 12 八、項目心得 通過本次項目的實際操作，對課本的知識有了更深一步的 理解，初步了解了如何將本科的實際理論知識運用到實際中 去。我們也對滑閥、噴嘴擋板閥和一些先導閥的內部結構，工 作原理有了進一步的理解，學會了如何對滑閥進行受力分析， 對在計算過程中需要注意的地方也明確了許多，例如：明確了 如何確定阻尼長度。在項目的過程中，也知道了如何利用已有 產品的樣本解決問題，會初步使用樣本，對以后的工作打下了 一定基礎。還有，在建立系統(tǒng)的數(shù)學模型的時候，對方塊圖和 傳遞

20、函數(shù)的建立有了一定掌握， 也掌握了一定的簡化傳遞函數(shù) 的算法。在數(shù)學模型建立后，通過課本上的知識，可以對自己 做的系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，當然還不是很熟練，也有些問題不 明白。同時，在用 AMEsim 進行仿真時，學會了如何搭建系統(tǒng)， 在老師的指導下學會了怎么進行系統(tǒng)的參數(shù)設置，但是，還不 能熟練運用，所以對一些參數(shù)進行設置時仍不知所措，以至于 未能得出能夠滿足系統(tǒng)的所有穩(wěn)定圖線，所以仍需要繼續(xù)學 習，進一步加強自身。 13 九、參考文獻 【 1】

21、王春行 .液壓控制系統(tǒng) .機械工業(yè)出版社 .2010 【 2】孔祥東 .王益群 .控制工程基礎 .機械工業(yè)出版社 .2008 【 3】付永領 .祁曉野 .AMESim 系統(tǒng)建模與仿真 .北京航空航天大學出版社 .2006 【 4】劉小初 .葉正茂 .韓俊偉 .肖林 .基于 AMESim 軟件的三級電業(yè)伺服閥建模與仿真 .機床與液壓 .2008 14