非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用
2023-03-06郑宏伟宣默涵张天鹏马立军
郑宏伟，王 宇，宣默涵，周 琳，姜 楠，张天鹏，马立军，杨 羽
(1.长春设备工艺研究所，吉林 长春 130012；2.长春理工大学，吉林 长春 130022)
阀控缸电液伺服系统广泛应用于机械设备中[1-3]，伺服油缸根据油缸出杆方式分为单出杆和双出杆2种结构。单出杆伺服油缸两腔的面积不相等，称为非对称伺服油缸；双出杆伺服油缸两腔的面积相等，称为对称伺服油缸。非对称伺服油缸结构紧凑，占用空间小，并且能够满足多数工况的需求，因此被广泛采用[4-6]。
比例伺服阀是电液伺服系统中的关键元件，设计中，比例伺服阀与伺服油缸的选择及匹配是否合理会影响系统性能[7]。
在传统电液伺服系统的设计计算资料中，多数以液压马达或对称油缸为执行元件来设计，所选控制元件伺服阀的控制窗口是配作且对称的零开口滑阀[8-10]，针对阀控非对称缸电液伺服系统设计还是沿用之前的设计方法。
本文以电液伺服系统为研究对象，分析了对称伺服阀和非对称伺服阀控制非对称伺服油缸2种配置进行理论分析，提出了采用非对称阀控制非对称缸的优化配置设计。
1 伺服阀非对称结构
伺服阀非对称结构是指伺服阀P-A口额定流量和B-T口的额定流量不相等，REXROTH品牌高频相比例伺服阀样本如图1所示，其中E1、W1和V1型伺服阀为非对称结构，当P-A口流量为qv时，B-T口的流量为qv/2，当P-B口流量为qv/2时，B-A口的流量为qv，该结构与差动伺服油缸两腔流量相匹配。而其他型号的伺服阀为对称结构，即P-A口流量与B-T口的流量相等。
图1 REXROTH品牌高频响比例伺服阀样本
2 阀控缸结构分析
在相同的输出能力情况下，对称伺服阀控制非对称伺服油缸和非对称伺服阀控制非对称伺服油缸2种结构，其系统设计参数是不同的，下述对2种情况进行分析。
2.1 对称阀控制非对称伺服油缸
对称阀控制非对称伺服油缸结构如图2所示，伺服阀是零开口高频响比例伺服阀，伺服阀阀套控制窗口是对称的。图2中各参数如下：A1为伺服油缸无杆腔面积；A2为伺服油缸有杆腔面积；PS为系统供油压力；P0为系统回油压力；P1为伺服油缸无杆腔压力；P2为伺服油缸有杆腔压力；Q1为伺服阀1号控制窗口流量；Q3为伺服阀3号控制窗口流量；xv为阀芯位移。
图2 对称阀控制非对称伺服油缸结构
忽略伺服阀和伺服油缸连接管道之间的压力损失，图1中伺服阀1号控制窗口压力和伺服油缸无杆腔压力P1相等，伺服阀3号控制窗口压力和伺服油缸无杆腔压力P2相等，回油压力P0=0。
伺服阀控制窗口流量公式：
(1)
ΔPA=PS-P1
(2)
(3)
ΔPB=P2
(4)
式中，Cd为流量系数；ω为面积梯度，对于四窗口阀，ω=4a；Xv为阀芯位移。
根据流量连续方程得到下式：
Q1=V·A1
(5)
Q3=V·A2
(6)
式中，V为伺服油缸活塞杆运动速度。联立式1、式3、式5和式6，得到下式：
(7)
定义面积比R如下：
(8)
将式8代入式7简化如下：
(9)
由上式可以看出，在对称阀控制非对称缸时，伺服油缸无杆腔压降是有杆腔压降的R2倍。对于差动型非对称油缸，面积比R=2，此时阀压降为
ΔPA=4ΔPB
(10)
将式2和式4代入式10整理得：
PS=P1+4P2
(11)
对于差动伺服油缸，液压系统压力是伺服油缸无杆腔压力与伺服油缸有杆腔压力的4倍之和。
2.2 非对称阀控制非对称伺服油缸
非对称阀控制非对称伺服油缸结构如图3所示，比例伺服阀是零开口高频响阀，阀套控制窗口是配作且非对称。图3中参数标识与图2中参数一致。
图3 非对称阀控制非对称伺服油缸结构
伺服阀控制窗口流量公式：
(12)
(13)
式中，ω1为非对称阀套A控制窗口的面积梯度；ω2为非对称阀套B控制窗口的面积梯度。对于四窗口阀有：
ω1=4a
(14)
ω2=4b
(15)
a=2b
(16)
联立式14～式16得到
(17)
联立式5、式6、式12、式13和式17得：
(18)
将式8代入式18简化：
(19)
由上式可以看出，在非对称阀控制非对称缸时，伺服油缸无杆腔压降是有杆腔压降的R2/4倍。对于差动型非对称油缸，面积比R=2，此时阀压降为
ΔPA=ΔPB
(20)
将式2和式4代入式20整理得
PS=P1+P2
(21)
对于差动伺服油缸，液压系统压力是伺服油缸无杆腔压力与伺服油缸有杆腔压力之和。
2.3 对比结果分析
式11和式21中，无杆腔压力P1和有杆腔压力P2由负载力FL所决定，在同一伺服油缸承受相同负载力，并且保持阀控油缸具有相近的控制能力时，对称阀控制非对称差动油缸所需的供油压力PS大于非对称阀控制非对称差动油缸所需的供油压力PS。相应的对称阀控制非对称差动油缸所需油源功率大于非对称阀控制非对称差动油缸所需的油源功率。
3 典型电液伺服系统结构优化
旋压机3个横向进给动作采用电液伺服闭环控制，其结构如图4所示，3个横向伺服油缸安装在托板内，互相成120°布置。
图4 旋压机横向进给电液伺服系统外形结构
电液伺服系统液压原理如图5所示，原设计采用REXROTH品牌10通径对称结构高频响比例伺服阀，型号为4WRTE10V，系统压力为PS=16 MPa，驱动电机功率为45 kW，3个油缸输出力都是300 kN。伺服油缸最大输出速度为2 000 mm/min，伺服油缸规格为φ200/φ140。
图5 液压原理图
伺服油路块结构如图6所示，旋压力的采集，对横向进给油缸两腔压力采集，3个横向伺服油缸采用6个压力传感器采集油缸有杆腔和无杆腔的压力值，并将压力值转换成0～10 V电压信号输出。计算机采集压力传感器的输出电压信号，并进行运算，得到3个横向伺服油缸的输出力，并实时显示在人机界面上。压力采集计算原理如图7所示。
图6 伺服油路块外形结构
图7 压力采集计算原理
原设计方案在工作时，当输出力达到300 kN时，通过伺服油缸两腔压力传感器测得两腔压力分别为P1=10.42 MPa，P2=1.71 MPa。
应用本文方法对电液伺服系统进行优化，采用力士乐10通径非对称高频响比例伺服阀， 型号为4WRTE10V1，系统压力降为15 MPa，当伺服油缸输出力达到300 kN时，测得伺服油缸两腔压力为P1=11.44 MPa，P2=3.7 MPa。相应的驱动电机功率也随之降为37 kW。
可以看到，采用非对称伺服阀控制非对称伺服油缸时，伺服油缸两腔压力都大于对称伺服阀控制非对称伺服油缸，控制能力明显提高，同时优化后系统压力降为15 MPa，驱动电机功率降为37 kW，降低了8 kW。
4 结语
在电液伺服闭环控制中，若伺服油缸为差动油缸时(A1/A2≈2)，选择非对称比例伺服阀在保证伺服系统控制能力不变的情况下可以有效降低系统压力，减小驱动电机功率，减少功率损失。目前非对称比例伺服阀已系列化，如REXROTH产品V1型号。
当执行元件为对称油缸(A1≈A2)或液压马达时，选择对称比例伺服阀更为合理。
对三轮旋压机横向进给电液伺服系统进行优化后，在保证系统控制能力不变的情况下，系统压力降低了2 MPa，驱动电机功率降低了8 kW，减少了能源损耗。
