直动式三通电液比例减压阀动态性能研究

摘 要：建立了直动式三通电液比例减压阀传递函数，对不同出口容腔体积时的动态响应特性进行了试验，分析与试验表明合理设定出口容腔体积可使比例减压阀得到高的动态响应，为工程上需要高响应比例减压阀提供了设计依据。

关键词：直动式电液比例减压阀 动态特性 传递函数 出口受控容腔体积

中图分类号：TH137.5 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-02

The investigation on dynamic characteristics for direct operated electro-hydraulic three way proportional pressure reducing valve

Yao Jia

Electronic and Information Engineering Department of Changsha Social Work College Changsha，China，410004

Abstract：The transfer function for direct operated three way proportional pressure reducing value is presented. The dynamic characteristic of the valve are simulated for different outlet volume. Simulation analysis and experiment show that reasonable set the valve cores outlet control volume size can enable the proportional pressure reducing valve have high dynamic characteristic. It provided design basis on the proportional pressure reducing valve which want to have high frequency-response characteristic.

Key words：direct operated electro-hydraulic proportional pressure reducing valve； dynamic characteristic； transfer function； outlet control volume

目前工业中液压制动系统的应用越来越广泛，对其制动的快速性提出了更高的要求。直动式电液比例减压阀是制动系统中的一个关键部件，为了制动系统实现自动控制，需要响应速度快的电液比例减压阀完成对制动器的控制，该文通过理论分析与试验，研究了直动式三通电液比例减压阀的动态特性，得到了影响其动态特性的直动式比例减压阀的设计参数，为工程上需要高动态响应比例减压阀提供了

参考。

1 直动式电液比例减压阀数学模型

图1 直动式电液比例减压阀原理图

直动式三通比例减压阀结构原理如图1所示。减压阀口处于常闭状态，阀芯右端面作为出口压力的测压面，节流阀作为比例减压阀负载。比例电磁铁产生推力，阀芯向右移动，阀口全开，液压油由P1口流入A口，出口压力P2作用在阀芯右端的小活塞上，当负载增加，出口压力增加，当出口压力产生的推力与电磁力达到平衡时，阀芯向左移动，关小阀口，使出口压力不再增加，实现对出口压力的控制，如果出口压力对阀芯的作用力大于电磁力，阀芯左移，A口与T口相通，使A口压力下降，直到阀芯处于新的平衡位置[1]。

根据上图所述直动式三通比例减压阀的结构原理建立直动式比例减压阀的数学模型如下：

（1）阀芯受力方程[2]

（1）

式中：M—阀芯质量，Kg；

BV—阀芯的粘性阻尼系数，N.s/m；

Bt—瞬态液动力阻尼系数，N.s/m；

KS—液动力弹簧刚度，N/m；

K1—复位弹簧刚度；N/m；

（2）比例电磁铁输出力方程，因为比例电磁铁控制器的响应特性比比例减压阀要快很多，为便于分析，此处设

（2）

式中：K2—比例电磁铁的电流-力增益系数，N/A；

（3）减压阀出口流量—压力方程[3]

（3）

线性化有： （4）

式中：p1—减压阀进口压力，Pa；

W—阀口面积梯度，m；Cd—阀口流量系数；

ρ—工作油液密度，kg/m3；

，流量增益系数；

，压力增益系数；

；

PA1、PA2为稳定工作点P1和P2的压力值；

xA为稳定工作点阀芯位移。

（4）流量连续方程，在负载流量为零时有[4]

（5）

式中：V—出口受控容腔液体总容积，m3；

E—油液的体积弹性模量，N/m2

由式（4）、（5）可得：

（6）

将式（1）拉氏变换得：

（7）

将式（2）拉氏变化得：

（8）

将式（8）代入式（7）得：

（9）

将式（6）拉氏变换得：

（10）

由式（10）可得：

（11）

代入式（9）中得：整理后可得：

从上面的传递函数可以知道，直动式比例减压阀的传递函数是一个三阶系统，从中可以看出，直动式电液比例减压阀的动态特性除与阀本身参数和特性有关外，与电液比例减压阀出口容腔的大小密切

相关。

2 直动式电液比例减压阀动态试验

图2 比例减压阀试验系统图

该比例减压阀试验测试系统如图2所示，主要由变量泵、溢流阀、节流阀、压力传感器、流量传感器、流量计、压力计和被测比例减压阀组成[5]。

输入电信号阶跃特性响应试验：调节液压泵的流量为被试阀的试验流量的1.25倍，调节溢流阀3的压力为额定压力。关闭电磁换向阀4和节流阀5a，调定输入电信号使被试阀输出压力为75﹪额定压力。调节加载节流阀5b使通过被试阀的流量为试验流量。阶跃输入电信号至调定值，直至输出压力达到稳定；然后再阶跃断开输入电信号，同时记录阶跃信号和输出压力，即得到输入电信号阶跃响应特性曲线。

考虑到体积V在实际中连续改变比较困难，该文只对体积V为1.6×10-4m3和

136×10-4m3时两种状态下进行了试验研究。

图3为在体积V为1.6×10-4m3和136×10-4m3两种状态下输入电信号阶跃响应特性曲线，分析图3（a）可以知道，阀此时的压力响应时间为0.24 s，压力上升平稳，响应时间短，超调量小，分析图3（b）可以知道，阀的压力响应时间为2 s，响应时间长。从这两个图可以看出，在其它试验参数一定的情况下，体积V为1.6×10-4m3时的阶跃响应时间比体积V为136×10-4m3时的响应时间要小很多。试验表明，直动式电液比例减压阀的动态特性与出口受控容腔体积密切相关，与理论分析一致。

图3 比例减压阀输入电信号阶跃响应曲线

3 结语

通过对直动式电液比例减压阀理论和试验研究，得出以下结论。

（1）理论分析得出直动式电液比例减压阀动态特性与本身结构参数相关外，与出口容腔体积密切相关。

（2）试验表明，减小出口容腔体积可使比例减压阀得到好的动态特性，该文研究的直动式电液比例减压阀在体积V为1.6×10-4m3时的响应时间较小。

参考文献

[1] 许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] Dasgupta K，Watton J. Dynamic analysis of proportional solenoid controlled piloted relief valve by bond graph [J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2005，13（1）：21-38.

[3] 姚佳.基于simulink的电液比例溢流阀频响仿真[J].液压气动与密封，2009（2）：38-40.

[4] 韩虎.基于MATLAB液压系统的仿真技术研究与应用[J].液压气动与密封，2007（3）：4-5.

[5] 胡燕平，谌铎文.模块式液压阀试验系统研究[J].实验技术与管理，2006（1）： 24-26.