风机风量调整集成式机液伺服液压缸动态特性分析

苏东海，秦明璋

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

0 前言

在引风机的使用过程中，风量的需求并不是恒定的，会根据实际需要选择适当风量以完成生产需求。当供风量大于实际需求量时，富裕风量会白白消耗电能，增加生产成本。而机液伺服缸作为风机风量调节的主要元件，它的动态性能直接影响到风机的性能和效率。因此，近几年来对风机机液伺服缸的研究引起了更多学者的重视。本文作者通过对集成式风机风量调节机液伺服缸进行建模，对其动态特性进行仿真分析，为设计集成式机液伺服液压缸提供理论依据。

1 集成式机液伺服液压缸的结构及工作原理

集成式机液伺服缸的结构如图1所示。

图1 集成式机液伺服缸结构示意图

从图中可知，在阀控缸集成式元件中，正开口双边滑阀和非对称差动缸是一个整体，并在活塞上开设了一个阻尼孔;在配油方面，机构采用了轴向配油方式，即油液通过旋转油封直接通过轴向油道进入控制阀内。

集成式机液伺服液压缸的原理如图2所示。

图2 机液伺服液压缸原理图

高压油ps直通有杆腔，当阀芯没有输入时，油液经阻尼孔流入无杆腔，再经阀芯正开口流回油箱，对机构循环冷却。当给阀芯一个Xv正向位移时，此时右侧节流口开口增大，压力油同时向液压缸左右两腔等压供油，由于两腔活塞面积不同，活塞向右移动，对负载做功;由于活塞与阀体是集成的，随着活塞的前进，右侧节流口逐渐减小，当达到平衡位置时，活塞停止运动。当给阀芯一个Xv负向位移时，原理同上。

2 数学模型

假设:阀对于阀芯位移和阀压力变化所产生的流量变化能瞬间反应，即阀具有理想的响应能力;供油压力恒定，回油压力为零［1］。

阀口流量方程为

式中:Kq为流量增益;Kc为流量-压力系数;QL为负载流量;pc为液压缸控制腔压力。

液压缸流量连续性方程为

式中:Ah为液压缸无杆腔有效面积;Xp为活塞杆输出位移;Cip为液压缸内漏系数;Gr为阻尼孔液导;V0为液压缸无杆腔面积;βe为有效体积弹性模量(包括阀、连接管道和缸体机械柔度)。

液压缸力平衡方程为

式中:m为活塞及负载等效质量;FL为作用在活塞上的外负载力;K为负载弹簧刚度;B为活塞及负载的粘性阻尼系数。

将式 (1)、(2)、(3)联立，忽略弹簧刚度，整理得系统开环传递函数为:

式中:Kce为机液伺服系统的总流量-压力系数，Kce＝Kc＋Ctp＋Gr

ϖh为液压固有频率，取

3 系统动态特性的影响因素分析

该系统为机液伺服控制系统，特别是采用集成式阀控非对称差动缸结构，参数优化设计显得尤为重要［2］。文中以5 t机液伺服液压缸为例分析系统的动态特性。

根据传递函数可知，影响机液伺服缸系统的主要因素有:阻尼孔直径d、阀口面积梯度W、阀正开口量U和负载质量m，这些参数对系统动态性能的影响是存在矛盾的。所以必须合理的选取参数值，使系统综合性能达到最优［3］。

3.1 阻尼孔直径对系统动态特性的影响

图3显示了不同阻尼孔直径下的系统阶跃响应曲线。由图中可知，随着阻尼孔直径的增加，系统上升时间变大，响应变慢，超调量先减小后增大。

图3 不同阻尼孔直径下的系统阶跃响应图(d3＞d2＞d1)

阻尼孔直径对系统的阻尼比有直接影响，但阻尼孔直径也不是越大越好，过大的阻尼孔直径会增加系统的内泄量，出现爬行、出力不足、保压性能差等问题;且随着阻尼比的增加，系统超调并不是一直减小，到达一定值后开始增加。综合系统性能，阻尼孔直径选d2时最满足设计要求。

3.2 阀口面积梯度对系统动态特性的影响

图4显示了不同阀口面积梯度下的系统阶跃响应图。由图中可知，随着面积梯度的增加，上升时间减小，系统响应变快，但超调量增加，稳定性降低。

图4 不同面积梯度下的系统阶跃响应图(W3＞W2＞W1)

阀口面积梯度对开环增益和阻尼比均有影响，选取大的面积梯度会提高系统的响应速度，但过大的面积梯度会增加阀的体积，使流量增加，降低阀的效率;超调量也会增加，系统更加不稳定，综合系统性能，面积梯度选W2最符合设计要求。

3.3 阀正开口量对系统动态特性的影响

图5显示了不同阀正开口量下系统阶跃响应图，由图中可知，随着阀正开口量的增加，上升时间增加，系统响应变慢，超调量先减小后增大。

图5 不同正开口量下的系统阶跃响应图(U3＞U2＞U1)

正开口量对系统动态特性的影响与阻尼孔直径类似，但对系统动态特性影响不大，根据文献 ［4］，通常取正开口量为U＝δ，这样既满足了正开口，又获得了最大压力增益。综合系统特性，正开口量取U2最符合设计要求。

3.4 负载质量对系统动态特性的影响

图6显示了不同负载质量下系统阶跃响应图，由图中可知，随着负载质量的增加，系统上升时间增加，响应变慢。超调量变大，稳定性降低。

图6 不同负载质量下的系统阶跃响应图(m3＞m2＞m1)

负载质量对系统固有频率和阻尼比均有影响，负载质量增加，系统响应变慢，稳定性降低，所以设计时要优化系统结构和使用材料，尽量减小负载质量。综合系统性能，负载质量取m1时最符合设计要求。

4 结论

通过对集成式机液伺服液压缸的理论分析，建立了机液伺服缸的数学模型。从仿真结果来看阻尼孔直径d、阀口面积梯度W、阀正开口量U和负载质量m对动态特性均有很大影响，适当调节U、W、d，减小m，可以提高系统动态特性。通过仿真不断修改结构参数，使机液伺服缸的综合性能最好，为设计集成式机液伺服缸提供了一定的理论依据。

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