差动阀控非对称缸系统的稳态特性分析

刘 念， 王鹏飞， 王 帆

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

引言

阀控缸液压系统结构简单、响应速度快、控制精度高，在各行业得到广泛应用[1-2]。非对称液压缸具有工作空间小、结构简单和成本低等优点，大量应用于阀控缸液压系统，尤其是工业液压领域[3-4]。阀控非对称缸液压系统的速度-负载特性在正反向存在差异，虽然可以通过选择非对称控制阀加以改善，但空载下非对称缸正反向速度增益始终不对称，对整个系统性能的提升产生了不利影响[5-9]。

差动回路是将非对称缸有杆腔的流量引入无杆腔，增加无杆腔进油流量，以减小供油流量，一般用于阀控恒流源液压传动系统中[10-12]。在采用电磁换向阀构成差动回路时，阀芯机能多采用R型。杨殿宝[13]分析了液压差动回路的设计缺陷，指出R型机能换向阀在同样的压降条件下流量要比其他机能阀的流量小。

阀控非对称缸液压系统采用恒压源供油，控制阀为比例方向阀或伺服，与液压传动系统类似，比例阀阀芯也可以为R型，阀自身即可构成差动回路。具有R型阀芯机能的比例方向阀，本研究称之为比例差动阀，简称差动阀。

差动阀相比常规比例方向阀，有其自身的特点。赵虹辉等[14]介绍了一种新型差动阀，既可实现差动回路，也可实现标准控制回路，适用于有高速、小作用力和低速、大作用力要求的应用工况。

本研究针对差动阀控非对称缸系统，根据工作原理，推导得出了稳态下系统的压力特性、承载范围和速度-负载特性。通过与常规阀控非对称缸系统进行对比分析，指出了差动阀控非对称缸系统一些独有的特性，如空载下油缸正反向速度增益相等、伸杆时差动阀的通流能力小于标准控制阀等，并对差动阀的选型和使用进行了讨论。

1 差动阀控非对称缸系统稳态特性分析

1.1 工作原理

差动阀控非对称缸系统由非对称液压缸和差动阀组成，工作原理如图1所示。液压缸伸杆时，液压缸有杆腔流量通过差动阀连接到阀的供油口，实现差动连接；液压缸缩杆时，系统为标准控制回路。伸杆和缩杆方向，系统均为双节流边控制。

图1 差动阀控非对称缸系统原理图

假设：

(1) 阀口的液流为湍流状态；

(2) 忽略液压缸的漏损；

(3) 控制阀为零开口滑阀。

设节流窗口面积梯度之比为wB/wA=m(0

设阀芯特性曲线为线性，即wA和wB不随阀芯位移变化，因而阀口压差恒定时，阀口流量与阀芯位移呈正比。

1.2 压力特性

当阀芯位移y>0时，活塞杆伸出，阀进出油口的节流方程分别为:

(1)

(2)

式中,Cd—— 阀的流量系数

ρ—— 油液密度

当活塞和负载处于稳态时，负载伸出速度v=QA/AA=QB/AB，于是有:

(3)

活塞和负载处于稳态时，力平衡方程为:

pA-npB=F/AA

(4)

由式(3)、式(4)得:

(5)

(6)

当阀芯位移y<0时，活塞杆缩回，阀进出油口的节流方程分别为:

(7)

(8)

(9)

活塞和负载处于稳态时，力平衡方程为:

(10)

由式(9)、式(10)得:

(11)

(12)

负载不变，差动阀控非对称缸动力机构反向时，两腔的压力变化为:

(13)

(14)

可见，动力机构反向时，液压缸两腔始终存在压力突变。此压力突变，并不能通过改变油缸面积比和阀芯节流边面积梯度之比而消除。

1.3 承载范围

实际工程中，液压缸两腔压力不允许为负，以避免气穴的产生，此外：

活塞杆伸出时，无杆腔压力应小于供油压力，由式(5)和式(6)可得，液压缸有效承载范围为:

(15)

活塞杆缩回时，有杆腔压力应小于供油压力，由式(11)和(12)可得液压缸有效承载范围为:

(16)

1.4 速度-负载特性

阀额定流量方程为：

(17)

式中，ymax—— 阀口最大开度

pN—— 比例阀单边额定压差

QN—— 比例阀额定流量

液压缸伸杆速度v=QA/AA，结合式(1)、式(5)和式(17)可得：

(18)

(19)

液压缸伸杆时，速度与负载的无量纲关系式为：

(20)

液压缸缩杆时，速度与负载的无量纲关系式为：

(21)

忽略回油压力，当差动阀阀芯正反向开度相同时，非对称缸伸杆和缩杆速度之比为:

(22)

当负载为0时，速度之比为：

(23)

2 差动阀与常规阀控非对称缸系统对比分析

差动阀控非对称缸系统的稳态特性相关结论如表1所示，事实上，对于常规阀控非对称缸系统，根据工作原理，可以类似推导得出系统的稳态特性，相关结论见表2。

表1 差动阀控非对称缸系统稳态特性

表2 常规阀控非对称缸系统稳态特性

差动阀控非对称缸系统的速度-负载特性曲线，如图2所示。由图并结合表1可以看出，当非对称缸面积比n=0.5时，空载情况下，油缸正反向速度相等，而与差动阀节流窗口面积梯度之比m无关。

图2 差动阀控非对称缸系统速度-负载特性

对称差动阀控非对称缸系统(m=1,n=0.5)，受承载范围的限制，伸杆和缩杆时的速度-负载特性严重不对称。非对称差动阀控非对称缸系统(m=n=0.5)，伸杆时能够承受的拉向(负向)负载增大，缩杆时能够承受的压向(正向)负载减小，速度-负载特性相对于坐标零点，具有高度对称性。由于上述原因，工程实际中差动比例阀样本一般仅提供非对称阀芯(m=0.5)形式。

常规阀控非对称缸系统的速度-负载特性曲线，如图3所示。由图并结合表2可以看出，非对称缸在空载情况下，油缸正反向速度不相等，正反向速度之比仅与油缸面积比有关，而与阀芯节流边面积梯度之比无关。

图3 常规阀控非对称缸系统速度-负载特性

常规对称阀控非对称缸系统(m=1,n=0.5)，受承载范围的限制，伸杆和缩杆时的速度-负载特性严重不对称，并且负载固定时油缸换向会导致两腔压力突变。常规非对称阀控非对称缸系统(m=n=0.5)，伸杆时能够承受的拉向(负向)负载增大，缩杆时能够承受的压向(正向)负载减小。此时，尽管速度-负载特性相对于坐标零点不完全对称，但是外负载力固定时油缸换向不会导致两腔压力突变。工程实际中常规比例阀样本一般会提供对称阀芯和非对称阀芯(m=0.5)两种形式。

比较表1和表2可知，在油缸面积比、控制阀阀芯面积比和其他系统参数均相同时，对于空载最大伸杆速度，差动阀控非对称缸系统小于常规阀控非对称缸系统；两种系统空载最大缩杆速度相同，因为二者具有相同的控制回路。

3 差动阀选型和使用

在差动阀控非对称缸恒压系统中，活塞杆伸出时，由于将有杆腔的流量引入到无杆腔形成差动回路，因而减小了供油流量和能耗。

差动阀控非对称缸系统存在的缺点包括：伸杆时有杆腔压力大于供油压力；外负载力固定油缸换向时，两腔会产生压力突变，且不能消除。因此，工程应用中，非对称缸两腔一般需加装安全阀。

差动阀实现的伸杆差动回路，适用于油缸高速、小推力的场合。当油缸需要低速、大推力伸出时，需切换为标准控制回路。差动回路和标准控制回路的切换，既可以通过差动阀和常规阀组合实现，也可以采用单个集成差动控制和标准控制的复合比例阀实现。复合比例阀的差动回路和标准控制回路切换功能，既可以通过特殊的控制阀芯如R5自动切换实现，也可以在常规比例阀上附加其他开关阀，通过外部手动切换实现，如图4所示。

图4 复合比例阀标准回路和差动回路的切换

4 结论

针对差动阀控非对称缸系统，推导得出了稳态下系统的压力特性、承载范围和速度-负载特性，通过与常规阀控非对称缸系统进行对比分析，得出以下结论：

(1) 差动阀控非对称缸系统(n=0.5)，在空载下正反向速度增益相等，当差动阀阀芯面积梯度之比采用默认推荐值0.5时，系统速度-负载特性相对于坐标零点具有高度对称性；

(2) 相同参数下，差动阀控非对称缸系统的空载伸杆速度，小于常规阀控非对称缸系统的空载伸杆速度，因此，差动阀在选型时其额定流量应大于常规阀的额定流量；

(3) 差动阀实现的伸杆差动回路，由于油缸有杆腔压力大于供油压力，比较适用于高速、小推力的场合，当油缸伸杆需要低速、大推力输出时，需切换为标准控制回路。

所得结论可作为工程设计的参考，具有一定的实用价值。