夯实机液压系统中插装阀阀芯位置控制与仿真分析

司癸卯，孟小净，周加永

（1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064；2.西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099）

快速液压夯实机是专为地基补强压实和松铺压实设计制造的高效液压夯实设备.它的基本工作原理是：从液压动力源来的高压油通过油管进入液压缸，夯锤在重力和液压力的共同作用下快速下落，对土壤进行夯实.根据不同的作业要求，可以选择不同的下落高度来满足实际工况的需求.夯锤的下落速度要尽量快，这样才会产生足够的冲击力来满足工况的要求［1］.为此液压系统采用大流量的电磁换向插装阀，插装阀采用“电磁换向阀＋主阀”的控制形式.

1 二通插装阀结构及工作原理

图1是夯实机的液压系统图，图2是插装阀基本插件的结构原理图和相对应的液压职能符号.图2中，p为压力，pA，pB，pC为 A，B，C三腔的工作压力.插装阀基本插件是先导型插装阀的主级或者功率级的主体元件，它由阀芯、阀套、弹簧以及密封件组成，其主要功能是用来控制液压系统主油路中油液的压力、方向与流量.其中A口与B口是主油路的通口，C是油路的控制口.当A口和B口的作用力之和大于C口处的作用力与弹簧力之和时，阀芯就会开启，反之阀芯就会关闭.如果改变C口的压力，B口的输出压力就会随之发生变化［2］.

图1 夯实机液压系统原理图Fig.1 Schematic diagram of tamper hydraulic system

图2 插装阀基本组件Fig.2 Basic components of cartridge valves

2 插装阀数学模型的建立

夯实机的液压系统采用了电磁换向插装阀.通过对研究电磁换向插装阀接受电信号后插装阀主阀阀芯的动态响应情况，来研究夯实机的动态特性.电磁换向插装阀的建模，即利用先导阀的位移X作为输入信号，以此来研究主阀阀芯的位移与速度［3］.

先导阀的流量方程为

式中：Ql为先导阀的流量；Cd为阀口流量系数；X0为阀芯的转换位置；X为先导阀阀芯位移；ρ为油液的密度；pt为控制口低压，pt≈0.

控制体的流量连续方程为

整理得

式中：A1为主阀控制腔的有效作用面积；y为主阀芯位移；V1为控制体体积；E为液体体积弹性模量；p1为控制体的压力.

如果不考虑主阀阀芯上的液动力，插装阀主阀阀芯主要受进口压力、出口压力、弹簧力、控制体的压力以及阻尼黏性力的作用.由主阀阀芯的力学平衡方程得：

式中：m为主阀阀芯质量；B为主阀阀芯的黏性阻尼系数；Ks为弹簧刚度系数；AA为主阀阀芯的下截面面积；AB为主阀出口腔的有效作用面积.

电磁换向插装阀建模的关键之处在于选定系统的状态变量［4］.根据系统的需要来建立相关的数学模型，选定状态变量为μ＝X0－X，z1＝p1，z2＝y，z3＝.根据式（1）—（3），就可以得出先导控制插装阀的状态空间模型：

根据式（4），输入已知的系统参数，就可以相应求出系统的状态变量.状态空间的建模可以解决系统存在的非线性化对建模的一些影响，避免了线性化的一些缺点，因此适合于电磁换向插装阀数学模型的建立.

3 插装阀阀芯位移动态响应特性仿真分析

本夯实机液压系统中所选用的插装阀的型号为LC40，其公称通径为40mm.此插装阀的主要参数如表1所示.

表1 插装阀参数Tab.1 Cartridge valve parameters

图3 先导插装阀阀芯位移仿真模型图Fig.3 Simulation model chart of the pilot cartridge valve spool displacement

表1中，AC为主阀阀芯的上截面面积；m为阀芯质量；Ks为弹簧刚度；Ps为弹簧开启压力.

当给系统阶跃信号输入时，输出的主阀位移及速度曲线如图4和图5所示.从图中可以看出，插装阀响应表现了一定的振荡特性，开启需要一定的时间来调节，调节时间为0.1s左右，超调量为5.18%左右，基本上能满足该系统的要求.

图4 主阀阀芯位移曲线Fig.4 Displacement curve of the main valve spool

插装阀动态响应曲线的主要影响因素包括进出油口的压力pA，pB，控制体的体积V1以及系统的阻尼系数等.改变控制体的体积V1的大小，就会得到在不同控制体体积下的插装阀动态响应的仿真曲线.V1分别取20cm3和25cm3时，插装阀的动态响应曲线分别如图6和图7所示.

由图6和图7可看出，插装阀的控制体积增大，响应超调量就会减少，但是峰值时间与稳态时间基本上没有发生改变.在设计液压系统时，可以适当地调整插装阀件和先导阀之间的液压管道，使插装阀能够在较短时间内获得较为稳定输的出流量.

图5 主阀阀芯速度曲线Fig.5 Velocity curve of the main valve spool

4 结论

（1）为了达到夯实机下落的快速性要求，提出了以电磁换向阀为先导阀的插装阀阀芯位置控制策略，实践证明该控制策略可行.

（2）采用状态空间法对插装阀的数学模型进行分析，并建立了插装阀的相关数学模型.

（3）通过对插装阀位移动态响应特性进行的仿真分析，可看出系统对阶跃信号的响应的时间在0.1s左右，超调量为5.18%左右，基本上能满足该系统的要求.

图6 V1＝20cm3时插装阀的响应曲线Fig.6 Response curve of cartridge valve when V1＝20cm3

图7 V1＝25cm3时插装阀的响应曲线Fig.7 Response curve of cartridge valve when V1＝20cm3

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