调整三通减压阀压力

冶金阀门厂家北高科集团技术部整理，影响电液比例溢流型三通减压阀输出压力囚素的数值分析

摘要：液动力、弹簧力、液压力等内部扰动影响压力控制阎的输出量与控制量的关系。本文通过数值分析非线性电液比例溢流型三通减压阀的输出量受控制量和干扰量的影响，为定量设计分析液压阀提供一种使内部扰动影响最小化的新方法。

关键词：压力控制阀；非线性系统；数值分析；内部扰动影响；最小化

前言

压力控制阀的输出量与控制量显线性关系是理想的追求，由于存在液动力、弹簧力、液压力等干扰影

响，目前，在解决输出量与控制量全程范围内显线性关系问题方面，定性分析对抑制干扰影响收效甚微。

本文应用TK Solver数值分析非线性电液比例溢流型三通减压阀的输出量受控制量和干扰量的影响，定量分析该阀控制量（调节电流或电压）、干扰量（先导阀芯及主阀芯所受液动力、先导阀芯及主阀芯弹簧力等）对输出量的影响程度，通过调节初始参数和优化结构参数有效抑制了干扰影响，使输出量与控制量的线性关系较为理想。

1 电液比例溢流型三通减压阀简介

应用出口压力直接检测反馈和级间动压反馈原理研制开发的电液比例溢流型三通减压阀⋯的结构原

理如图1所示。其工作原理如下：当凋定放大器输人电压后，比例电磁铁输出电磁力F肼，此时阀输出压力p^有一个相应值，若因某种干扰使图l电液比例溢流型三出口压力降低将引起通减压阀结构原理先导阀芯向左移动，左边可变节流口增大，右边可变节流口减少，先导阀腔压力p，及主阀上腔压力．口：上升，在以上升和P．下降的共同作用下，主阀芯向下运动，主阀可变节流口开大，致使p^上升，这样就使输出压力n保持在调定值。当输出压力p．增大超过调定值时（如p．用于动力负载时），先导阀芯向右移动，先导阀左边可变节流口变小，右边可变节流口开大，致使先导阀腔压力见及主阀上腔压力p：下降，主阀芯上移，使进油口B与出油口T相通，此时就相当于溢流阀。

2数学模型与仿真

建立力平衡方程、连续方程、动量方程、流量一压力方程组采用Ne叭on．Raphson算法迭代求解。为了提高仿真精度，需要考虑流量系数随雷诺数的变化¨。。弓形节流口面积函数A（Ⅳ力=Ⅳ【譬arccos（1一言）一2（1一言）√吉一（吉）2】圆拱形节流口湿周长函数c，（J7＼r，z）=Ⅳl Darccos（1一箐）一2；√D—zl

雷诺数m=4∥（C∥）流量系数方程 fC抽当舶≥廊。时“【后√尺e 当如<舶。时为了避免电磁力L与输入电压关系的影响，分析中用电磁力作为输入信号。算法流程如图2所示。图2及式中：A，、A”A，分别为先导阀反馈推杆面积、先导阀芯左端面积、先导阀芯右端面积；八髫分别为先导阀芯位移、主阀芯位移；yl、五分别为先导阀弹簧预压缩量、主阀弹簧预压缩量；％、q分别为先导阀弹簧刚度、主阀弹簧刚度；n为比例电磁铁输出电磁力；，h、，h分别为先导阀芯所受弹性力、主阀芯所受弹性力；n、几、以分别为主阀出口压力、

主阀进口压力、先导阀腔压力；％。、，厅R、吒分别为先导阀芯在左、右阀口所受液动力，主阀芯所受液动力；一。。、A一分别为主阀芯下端面积、主阀芯上端面积；z为拱高；Ⅳ为孔数；船、船。分别为雷诺数、临界雷诺数；巳、G一分别为流量系数、紊流时zui大流量系数；t，为运动粘度；C。为湿周长。图2算法流程仿真结果⋯与实验结果‘41在额定负载、负载流量为O情况下减压、溢流四种特性误差均不超过

4．5％，说明所建数学模型及方法完全可用于非线性液压元件的分析研究。

3控制量、干扰量对输出量的影响分析

从“压力取决于负载”出发讨论分析电液比例溢流型三通减压阀的控制量、干扰量对输出量的影响。先导阀芯力平衡方程ptAF+p|An+F扎=FM+Fb+pIAr+F姆先导阀芯受力面积关系勺=A—A，主阀芯力平衡方程p_A一+，A=p，A，呻。+，h主阀芯受力面积关系A利=A一=A联解以上4个方程式得输出压力：

”垒!生±坠二幺+![益⋯

2A， 2A由上式可知控制输出压力p．的因素有电磁力、先导阀弹簧力、先导阀芯所受液动力、主阀弹簧力和主阀芯所受液动力、反馈杆面积、主阀芯上下端面积等因素，各因素对输出压力办的影响如图3所示。（-）控制量电磁力对出口压力影响情况，·，，N（b）干扰对出口压力影响情况A一出口压力F一电磁力作用产生的出口压力分量e、s一先导阀、主阀弹性力作用产生的出口压力分量L、R、旷先导阀左、右阀口、主阀口液动力产生的出口压力分量图3各因素对输出压力的影响图3（a）、（b）说明电磁力、先导阀弹簧力、先导阀芯所受液动力、主阀弹簧力和主阀芯所受液动力对出口压力p．的影响情况（负载节流阀额定开度）。从图中可以看出：控制量电磁力对输出量p^的作用在电磁力lO一90N范围内占60％一80％，液动力、弹簧力等内部干扰对输出量n的作用占40％一20％。如果内部干扰对出口压力n的影响作用小就可获得较为理想的出口压力n一电磁力n的关系。输出压力n主要取决于电磁力，先导阀右阀口液动力次之。当先导阀右阀口液动力上升时，先导阀弹簧力、先导阀左阀口液动力所产生的出口压力分量下降，部分抵消了先导阀右阀口液动力对出口压力的影响作用。由于主阀芯上下端面积较大，液压力起主导作用，主阀弹簧力和主阀芯液动力对出口压力影响较小，且变化很小。

在应用中可选择不同参数组合仿真寻求*效果，也可以从干扰因素变化对输出量的影响规律中求

取*设计参数，这还有助于加深对各干扰量作用度的了解。

4 内部干扰对输出影响规律分析

先导阀弹簧预压缩量E对出口压力影响如图4所示。先导阀预压量增加lmm，出口压力p．上升近2MPa，其作用效果与电磁力相似。第12期姜福祥等：影响电液比例溢流型三通减压阀输出压力因素的数值分析·lOl· 对出言銎凳毳磊嘉琶专嘉：：F葺硼对出口压力影响如图5所30卜-寸=王击i右制

示，由于直接反馈的原因先导阀节流边距与孔磁力关系曲线

中心距差D。对出口压力影响原因是：左右节流孔流量相等，而先导阀节流边距与孑L中心距差D，决定左右节流孔通流面积比（液导比），从而改变左右节流孔液动力差值，这样就对出口压力产生影响。先导阀液动力的影响由于是两者之差，若能基本保证两者差值基本不变，先导阀液动力对出口压力p^一电磁力L关系的线性程度影响就很小。图7为一定电磁力下，输出压力与先导阀节流边距与孔中心距差D，的关系曲线。图8为先导阀液动力与先导阀节流边距与孔中心距差D，关系曲线（“=20N）。图7先导阀节流边距与孔中心距差与输出压力的关系曲线

5结束语

应用TK solver数值分析非线性电液比例溢流型三通减压阀的输出量受控制量和干扰量的影响，仿真

的精度高，能够满足工程设计要求。应用中选择不同参数组合仿真寻求*效果，也可以从干扰因素变化对输出量的影响规律中求取*设计参数，这还有助于加深对各干扰量作用度的了解。该方法为阀的设计分析提供了一种新方法。

参考文献

【l】h YongXj肌g，Yu KaiYu锄，Qu明kng．Devel叩ment

蚰d Re舱arch 0f New Type，nIr∞一way Pilot Proportional

Pre鹤u陀Reducillg Valve[C]． Int唧ati∞aI symp∞ium

on FLUID POWER．Tbkyo，Mar℃h 23—16，1988．

【2】姜福样，郁凯元．变流量系数模型对先导式溢流阀静

态仿真结果影响的研究[J]．机床与液压，2003

（2）：174一176．

【3】姜福祥．电液比例先导式三通减压阀及先导式溢流阀

静态仿真研究[D]．南京：东南大学，2002．

【4】浙江大学流体传动及控制研究所．BJ3-H16型三通比

例减压阀基型研究试验报告[R]．杭州：浙江大学，

（1）采用开环控制系统，即只进行压力参数的

实时检测，而不反馈控制，摩擦压力的相对误差为11．23％，变异系数为0．57％；顶锻压力的相对误差为8．52％，变异系数为O．42％。

（2）采用闭环控制系统，摩擦压力的相对误差为0．54％，变异系数为0．06％；顶锻压力的相对误

差为O．3l％，变异系数为0．02％。由统计分析结果可知：采用闭环控制，轴向压力值的准确性及离散性均比开环控制小一个数量级，表明所研制的闭环控制系统具有轴向压力稳定、误差小、重现性好、抗干扰能力强的特点。目前该系统已在127mm石油钻杆的修复与生产中得到应用。

4结论

（1）基于电液比例技术的摩擦焊计算机闭环控制系统实现了轴向压力的闭环控制，压力控制精度高，重现性好，参数调节方便，轴向压力控制的相对误差小于l％，变异系数接近0。

（2）该系统实现主轴转速，轴向压力、轴向位移、的实时检测，同时绘制实时变化曲线，并显示原始数据，方便对焊接件进行长期质量跟踪分析。

（3）所编制的winndows2000平台上的摩擦焊计算机闭环控制软件，界面丰富，功能齐全，人机交互

友好。

参考文献

【l】武华．基于电液比例技术的摩擦焊压力控制系统

[J]．机床与液压，2006（6）：127—128．

【2】杜随更．计算机闭环控制系统在摩擦焊接中的应用

[J]．机械科学与技术，2004，23（3）：300—302．

【3】R E chalIm瑁．，I'}le伍ction welding adv粕Lage[J]．M舳-

u‰turing E嚼neering，200l，126（5）：64—66，68．

【4】黄安心．压边力和冲压速度可调的液压机闭环控制系

统[J]．机床与液压，2006（8）：138一139．

作者简介：朱海（1967一），男，副教授，现主要从

事材料成型与过程控制方面的科研与教学工作。：收稿日期：2007一04—03

影响电液比例溢流型三通减压阀输出压力因素的数值分析

机床与液压

参考文献（4条）

1.Lu YongXiang.Yu KaiYuan.Quan Long Development and Research of New Type Three-Way Pilot

Proportional Pressure Reducing Valve 1988

2.姜福祥.郁凯元变流量系数模型对先导式溢流阀静态仿真结果影响的研究[期刊论文]-机床与液压 2003（02）

3.姜福祥电液比例先导式三通减压阀及先导式溢流阀静态仿真研究[学位论文] 2002

4.浙江大学流体传动及控制研究所BJ3-H16型三通比例减压阀基型研究试验报告 1988

相似文献（2条）

1.期刊论文郎燕.李运华.Lang Yan.Li Yunhua 电液复合调节作动器的线性化建模与控制针对经典泵控电液作动器固有频率低的问题,对原系统增加了一个新设计的总压力控制阀,它可保证作动筒两个工作腔的压力之和始终为一常数并使

两腔压力可控,从而使泵控系统达到和阀控系统相当的固有频率.这种改进型作动器称为EHCA（Electro-Hy-draulic Compound regulating integrated

Actuator）.针对存在的相乘非线性控制问题,通过分析EHCA和总压力控制阀的工作原理,设计了基于线性化方法的滑模控制器,并分析了电机转速和变

量泵排量在不同工况下的控制量大小配合问题.分析和仿真证明,该设计思想是有效实现率、节能和快响应的电液组合作动器方案.

2.期刊论文姜福祥.郁凯元电液比例三通溢流型减压阀先导液桥设计 -液压与气动2008,""（7）

建立电液比例三通溢流型减压阀数学模型,应用数值分析仿真结果和样品实验结果一致,数值方法能有效地解决液压系统的非线性问题,直观地反映参数变化对性能的影响.为准确选取参数,缩短设计周期,降低研发成本,实现设计目标,提供一种数值分析设计方法.

引证文献（2条）

1.杨俊凯.徐云杰压光机液压系统的设计[期刊论文]-液压与气动 2010（1）

2.徐云杰.袁伟明.范兴铎造纸机压榨部液压系统的设计[期刊论文]-液压与气动 2009（7）