級間液壓-機械雙反饋新原理及其在大流量控制閥中的應(yīng)用研究.pdf

1、液壓傳動系統(tǒng)廣泛用于各類機電裝備，而液壓閥是液壓系統(tǒng)中用于控制液體的壓力、流量和方向的核心元件，對液壓系統(tǒng)的性能、可靠性和經(jīng)濟性有重要影響。流量閥通過改變節(jié)流閥口的開度來來調(diào)節(jié)通過流量，進而控制負載裝備的運動速度，是三大類液壓閥之一。多級流量閥以各種級間反饋方式實現(xiàn)先導(dǎo)閥芯對主閥芯的位移控制，進而通過主閥芯上的主閥口完成對流量的調(diào)節(jié)，用于實現(xiàn)更大的流量控制等級。常見的級間反饋控制方式有液壓反饋、機械反饋、液壓跟隨以及電反饋四種。隨著流量

2、閥在可靠性、泄漏性、啟閉動態(tài)特性以及負載適應(yīng)性等方面的需求日益提高，探索級間多反饋原理，綜合利用上述各反饋方式的優(yōu)點，克服單一反饋方式在可靠性、閥芯位移控制精度或響應(yīng)速度等方面的局限性，對于高性能流量閥研究勢在必行。本文針對流量閥級間雙反饋新原理及應(yīng)用展開研究，選題具有重要的學(xué)術(shù)研究價值和很強的工程應(yīng)用前景。
　　現(xiàn)有單反饋原理以單一反饋方式將主閥芯位移轉(zhuǎn)化為控制腔壓力升高或先導(dǎo)閥芯受力增大，進而實現(xiàn)對主閥芯位移的比例控制。轉(zhuǎn)化為

3、控制腔壓力升高的方式可靠性及穩(wěn)定性好，而轉(zhuǎn)化為先導(dǎo)閥芯受力增大的方式精度高且快速性好。本文提出了級間液壓-機械雙反饋新原理，該原理通過液壓和機械兩路反饋的共同作用將主閥芯位移同時轉(zhuǎn)化為控制腔壓力升高和先導(dǎo)閥芯受力增大，雙反饋方式作用互補，在繼承了液壓和機械反饋方式的上述優(yōu)點外，兩種反饋方式的共同作用還使雙反饋原理液壓閥具備了結(jié)構(gòu)簡單、密封數(shù)量少、控制區(qū)間寬度大等額外優(yōu)點。該原理可用于單向/雙向比例節(jié)流閥、調(diào)速閥以及負載控制閥等流量閥中。

4、本文提出了雙反饋原理液壓閥主閥芯上的帶通油孔的減振尾結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可通過液流沖擊作用抵消開啟方向的液動力，進而改變閥芯液動力的方向，同時降低各閥口開度下的液動力幅值。在仿真與試驗中，主閥芯所受液動力在減振尾的補償作用下由開啟方向轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉方向，且液動力幅值與無減振尾相比分別減小88.3％和87.5％，增加了主閥芯的穩(wěn)定性并基本消除了液動力對主閥芯位移控制精度的影響。
　　本文創(chuàng)新設(shè)計了先導(dǎo)閥芯尾部的快關(guān)閥口結(jié)構(gòu)，快關(guān)閥口在先導(dǎo)閥芯關(guān)

5、閉至一定開度時打開并直接連通負載口與控制腔，加快控制腔壓力的飛升過程，增大先導(dǎo)閥芯和主閥芯所受關(guān)閉力，提高兩閥芯的關(guān)閉速度。研究表明，快關(guān)閥口的引入可使主閥芯關(guān)閉時間縮短22％。
　　在此基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新研制了基于級間液壓-機械雙反饋原理的大流量負載控制閥。樣機在汽車起重機變幅系統(tǒng)中的應(yīng)用試驗結(jié)果表明，與目前市場上的主流負載控制閥相比，控制區(qū)間寬度增加11％，在高負載壓力下的控制壓力滯回減小60％，開啟時間減小58％，關(guān)閉時間減小

6、17％。
　　本學(xué)位論文基本結(jié)構(gòu)如下:
　　第一章，首先對流量閥中的級間反饋方式進行了分類和介紹，并分析了各種反饋方式的優(yōu)缺點。其次介紹了特殊流量閥——負載控制閥的功能特點和研究現(xiàn)狀。最后，提出了課題研究的技術(shù)路線和主要研究內(nèi)容。
　　第二章，首先介紹了級間液壓和機械雙反饋的原理并分析了該原理的特性，比較了雙反饋原理與液壓及機械單反饋原理的優(yōu)缺點。其次詳細介紹可在雙反饋原理基礎(chǔ)上疊加的負載壓力適應(yīng)性及快速關(guān)閉特性等各種

7、附加功能和特性。最后，介紹了雙反饋原理在單向/雙向比例節(jié)流閥、比例流量閥以及負載控制閥等領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　第三章，首先分析了雙反饋原理液壓閥的閥芯位移精確比例控制和負載適應(yīng)性產(chǎn)生的機理，揭示相關(guān)參數(shù)對上述特性的影響規(guī)律，以此總結(jié)了閥芯位移精確比例控制和負載適應(yīng)性產(chǎn)生和參數(shù)設(shè)計的邏輯?；谝陨戏治觯肕atlab/Simulink建立了直接基于各異形閥口參數(shù)的雙反饋原理液壓閥靜態(tài)控制特性仿真模型，對閥芯位移控制和負載適應(yīng)性進行了精

8、確定量研究。最后，搭建了雙反饋原理液壓閥閥芯特性試驗臺，通過試驗驗證了理論分析與仿真研究的準(zhǔn)確性。
　　第四章，首先介紹液壓閥中對液流相關(guān)作用力的定義和研究工具與方法。其次，對無減振尾主閥芯在各開度、各流量下所受液動力情況進行了CFD仿真。再次，對兩個重要的參數(shù)，即減振尾直徑和減振尾連桿長度對液流作用力的影響規(guī)律進行了深入仿真研究，并得到了能夠獲得最大關(guān)閉方向液流作用力尺寸組合。在以上尺寸組合基礎(chǔ)上，通過仿真研究了在減振尾上打通油

9、孔的方法在減小液流作用力幅值方面作用，并得出了能夠使主閥芯獲得幅值最小的關(guān)閉方向液流作用力的通油孔尺寸。最后搭建了閥芯液流作用力測試平臺，驗證了以上研究結(jié)論的正確性。
　　第五章，首先建立了雙反饋原理液壓閥運動部件、動態(tài)容腔以及各節(jié)流口等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的動態(tài)方程。其次，對上述動態(tài)方程在不同工作點進行了線性化并以此建立了雙反饋原理液壓閥的狀態(tài)空間模型。在狀態(tài)空間模型基礎(chǔ)上，研究了該閥在不同工作點的穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)特性，并利用根軌跡方法研究

10、了關(guān)鍵參數(shù)對穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)特性的影響規(guī)律。再次，依據(jù)動態(tài)方程建立了基于Matlab S函數(shù)的動態(tài)特性仿真模型，對不同工況下的啟閉特性以及不同先導(dǎo)控制油路形式對閥啟閉特性的影響等進行了系統(tǒng)研究。最后，利用閥芯特性試驗臺對雙反饋原理液壓閥的動態(tài)特性進行試驗研究，驗證了相關(guān)研究結(jié)論的正確性。
　　第六章，首先介紹了負載控制閥的典型應(yīng)用和這些應(yīng)用中對負載控制閥的特性要求，其次分析了雙反饋原理在負載控制閥中的適用性并提出了雙反饋原理負載控

11、制閥(DFPLCV)的結(jié)構(gòu)。在以上基礎(chǔ)上，針對主閥芯-主閥套、先導(dǎo)閥芯-先導(dǎo)閥套兩對最為核心的關(guān)鍵元件的結(jié)構(gòu)及其上的關(guān)鍵閥口進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計，并對各閥芯-閥套配合的結(jié)構(gòu)強度和密封效果進行了有限元校核。此外，本章還針對控制活塞、端蓋以及整個DFPLCV中的密封位置和形式等進行了設(shè)計。最后，對關(guān)系整閥性能和安全的主閥體結(jié)構(gòu)強度、先導(dǎo)閥體結(jié)構(gòu)強度以及主閥體-先導(dǎo)閥體聯(lián)接的強度進行了校核。
　　第七章，利用第3-5章關(guān)于雙反饋原理

12、液壓閥的研究結(jié)論和第6章關(guān)于DFPLCV的相關(guān)設(shè)計計算結(jié)果進行了兩代樣機試制，并為了測試DFPLCV特性而搭建了二級大流量負載控制閥試驗臺。臺架試驗結(jié)果驗證了樣機單向?qū)ㄌ匦?、比例流量控制特性、負載補償特性、快速開啟/關(guān)閉特性等各項性能滿足設(shè)計和應(yīng)用要求，驗證了雙反饋原理和上文研究結(jié)論的正確性。在臺架試驗驗證無誤后，將DFPLCV安裝在典型應(yīng)用汽車起重機變幅系統(tǒng)上進行了實車試驗，通過對實車試驗數(shù)據(jù)的分析和與同類產(chǎn)品的性能的對比，驗證了雙