級(jí)間液壓-機(jī)械雙反饋新原理及其在大流量控制閥中的應(yīng)用研究.pdf

1、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛用于各類(lèi)機(jī)電裝備，而液壓閥是液壓系統(tǒng)中用于控制液體的壓力、流量和方向的核心元件，對(duì)液壓系統(tǒng)的性能、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要影響。流量閥通過(guò)改變節(jié)流閥口的開(kāi)度來(lái)來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)流量，進(jìn)而控制負(fù)載裝備的運(yùn)動(dòng)速度，是三大類(lèi)液壓閥之一。多級(jí)流量閥以各種級(jí)間反饋方式實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)閥芯對(duì)主閥芯的位移控制，進(jìn)而通過(guò)主閥芯上的主閥口完成對(duì)流量的調(diào)節(jié)，用于實(shí)現(xiàn)更大的流量控制等級(jí)。常見(jiàn)的級(jí)間反饋控制方式有液壓反饋、機(jī)械反饋、液壓跟隨以及電反饋四種。隨著流量

2、閥在可靠性、泄漏性、啟閉動(dòng)態(tài)特性以及負(fù)載適應(yīng)性等方面的需求日益提高，探索級(jí)間多反饋原理，綜合利用上述各反饋方式的優(yōu)點(diǎn)，克服單一反饋方式在可靠性、閥芯位移控制精度或響應(yīng)速度等方面的局限性，對(duì)于高性能流量閥研究勢(shì)在必行。本文針對(duì)流量閥級(jí)間雙反饋新原理及應(yīng)用展開(kāi)研究，選題具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值和很強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。
　　現(xiàn)有單反饋原理以單一反饋方式將主閥芯位移轉(zhuǎn)化為控制腔壓力升高或先導(dǎo)閥芯受力增大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥芯位移的比例控制。轉(zhuǎn)化為

3、控制腔壓力升高的方式可靠性及穩(wěn)定性好，而轉(zhuǎn)化為先導(dǎo)閥芯受力增大的方式精度高且快速性好。本文提出了級(jí)間液壓-機(jī)械雙反饋新原理，該原理通過(guò)液壓和機(jī)械兩路反饋的共同作用將主閥芯位移同時(shí)轉(zhuǎn)化為控制腔壓力升高和先導(dǎo)閥芯受力增大，雙反饋方式作用互補(bǔ)，在繼承了液壓和機(jī)械反饋方式的上述優(yōu)點(diǎn)外，兩種反饋方式的共同作用還使雙反饋原理液壓閥具備了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封數(shù)量少、控制區(qū)間寬度大等額外優(yōu)點(diǎn)。該原理可用于單向/雙向比例節(jié)流閥、調(diào)速閥以及負(fù)載控制閥等流量閥中。

4、本文提出了雙反饋原理液壓閥主閥芯上的帶通油孔的減振尾結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可通過(guò)液流沖擊作用抵消開(kāi)啟方向的液動(dòng)力，進(jìn)而改變閥芯液動(dòng)力的方向，同時(shí)降低各閥口開(kāi)度下的液動(dòng)力幅值。在仿真與試驗(yàn)中，主閥芯所受液動(dòng)力在減振尾的補(bǔ)償作用下由開(kāi)啟方向轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉方向，且液動(dòng)力幅值與無(wú)減振尾相比分別減小88.3％和87.5％，增加了主閥芯的穩(wěn)定性并基本消除了液動(dòng)力對(duì)主閥芯位移控制精度的影響。
　　本文創(chuàng)新設(shè)計(jì)了先導(dǎo)閥芯尾部的快關(guān)閥口結(jié)構(gòu)，快關(guān)閥口在先導(dǎo)閥芯關(guān)

5、閉至一定開(kāi)度時(shí)打開(kāi)并直接連通負(fù)載口與控制腔，加快控制腔壓力的飛升過(guò)程，增大先導(dǎo)閥芯和主閥芯所受關(guān)閉力，提高兩閥芯的關(guān)閉速度。研究表明，快關(guān)閥口的引入可使主閥芯關(guān)閉時(shí)間縮短22％。
　　在此基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新研制了基于級(jí)間液壓-機(jī)械雙反饋原理的大流量負(fù)載控制閥。樣機(jī)在汽車(chē)起重機(jī)變幅系統(tǒng)中的應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，與目前市場(chǎng)上的主流負(fù)載控制閥相比，控制區(qū)間寬度增加11％，在高負(fù)載壓力下的控制壓力滯回減小60％，開(kāi)啟時(shí)間減小58％，關(guān)閉時(shí)間減小

6、17％。
　　本學(xué)位論文基本結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，首先對(duì)流量閥中的級(jí)間反饋方式進(jìn)行了分類(lèi)和介紹，并分析了各種反饋方式的優(yōu)缺點(diǎn)。其次介紹了特殊流量閥——負(fù)載控制閥的功能特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀。最后，提出了課題研究的技術(shù)路線和主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，首先介紹了級(jí)間液壓和機(jī)械雙反饋的原理并分析了該原理的特性，比較了雙反饋原理與液壓及機(jī)械單反饋原理的優(yōu)缺點(diǎn)。其次詳細(xì)介紹可在雙反饋原理基礎(chǔ)上疊加的負(fù)載壓力適應(yīng)性及快速關(guān)閉特性等各種

7、附加功能和特性。最后，介紹了雙反饋原理在單向/雙向比例節(jié)流閥、比例流量閥以及負(fù)載控制閥等領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　第三章，首先分析了雙反饋原理液壓閥的閥芯位移精確比例控制和負(fù)載適應(yīng)性產(chǎn)生的機(jī)理，揭示相關(guān)參數(shù)對(duì)上述特性的影響規(guī)律，以此總結(jié)了閥芯位移精確比例控制和負(fù)載適應(yīng)性產(chǎn)生和參數(shù)設(shè)計(jì)的邏輯?；谝陨戏治?，利用Matlab/Simulink建立了直接基于各異形閥口參數(shù)的雙反饋原理液壓閥靜態(tài)控制特性仿真模型，對(duì)閥芯位移控制和負(fù)載適應(yīng)性進(jìn)行了精

8、確定量研究。最后，搭建了雙反饋原理液壓閥閥芯特性試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析與仿真研究的準(zhǔn)確性。
　　第四章，首先介紹液壓閥中對(duì)液流相關(guān)作用力的定義和研究工具與方法。其次，對(duì)無(wú)減振尾主閥芯在各開(kāi)度、各流量下所受液動(dòng)力情況進(jìn)行了CFD仿真。再次，對(duì)兩個(gè)重要的參數(shù)，即減振尾直徑和減振尾連桿長(zhǎng)度對(duì)液流作用力的影響規(guī)律進(jìn)行了深入仿真研究，并得到了能夠獲得最大關(guān)閉方向液流作用力尺寸組合。在以上尺寸組合基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真研究了在減振尾上打通油

9、孔的方法在減小液流作用力幅值方面作用，并得出了能夠使主閥芯獲得幅值最小的關(guān)閉方向液流作用力的通油孔尺寸。最后搭建了閥芯液流作用力測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了以上研究結(jié)論的正確性。
　　第五章，首先建立了雙反饋原理液壓閥運(yùn)動(dòng)部件、動(dòng)態(tài)容腔以及各節(jié)流口等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程。其次，對(duì)上述動(dòng)態(tài)方程在不同工作點(diǎn)進(jìn)行了線性化并以此建立了雙反饋原理液壓閥的狀態(tài)空間模型。在狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，研究了該閥在不同工作點(diǎn)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并利用根軌跡方法研究

10、了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。再次，依據(jù)動(dòng)態(tài)方程建立了基于Matlab S函數(shù)的動(dòng)態(tài)特性仿真模型，對(duì)不同工況下的啟閉特性以及不同先導(dǎo)控制油路形式對(duì)閥啟閉特性的影響等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。最后，利用閥芯特性試驗(yàn)臺(tái)對(duì)雙反饋原理液壓閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了相關(guān)研究結(jié)論的正確性。
　　第六章，首先介紹了負(fù)載控制閥的典型應(yīng)用和這些應(yīng)用中對(duì)負(fù)載控制閥的特性要求，其次分析了雙反饋原理在負(fù)載控制閥中的適用性并提出了雙反饋原理負(fù)載控

11、制閥(DFPLCV)的結(jié)構(gòu)。在以上基礎(chǔ)上，針對(duì)主閥芯-主閥套、先導(dǎo)閥芯-先導(dǎo)閥套兩對(duì)最為核心的關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)及其上的關(guān)鍵閥口進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)各閥芯-閥套配合的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密封效果進(jìn)行了有限元校核。此外，本章還針對(duì)控制活塞、端蓋以及整個(gè)DFPLCV中的密封位置和形式等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，對(duì)關(guān)系整閥性能和安全的主閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、先導(dǎo)閥體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及主閥體-先導(dǎo)閥體聯(lián)接的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。
　　第七章，利用第3-5章關(guān)于雙反饋原理

12、液壓閥的研究結(jié)論和第6章關(guān)于DFPLCV的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了兩代樣機(jī)試制，并為了測(cè)試DFPLCV特性而搭建了二級(jí)大流量負(fù)載控制閥試驗(yàn)臺(tái)。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了樣機(jī)單向?qū)ㄌ匦?、比例流量控制特性、?fù)載補(bǔ)償特性、快速開(kāi)啟/關(guān)閉特性等各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，驗(yàn)證了雙反饋原理和上文研究結(jié)論的正確性。在臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)誤后，將DFPLCV安裝在典型應(yīng)用汽車(chē)起重機(jī)變幅系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)車(chē)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和與同類(lèi)產(chǎn)品的性能的對(duì)比，驗(yàn)證了雙