水压伺服阀优化设计及试验研究

发布时间：2020-08-06 15:13

【摘要】： 水压伺服阀是水压伺服控制系统的核心部件,具有控制精度高、响应速度快、体积小、重量轻等优点,已成为当前国际上流体传动及控制技术领域一个极为重要的研究课题,对水压传动的研究和发展具有十分重要的意义。本文首先介绍了水压伺服阀样机的工作原理和结构特点,建立了其数学模型,应用MATLAB软件对水压伺服阀样机的动态特性进行了仿真研究,同时对由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比、伺服阀开环增益、力矩马达的固有频率进行了参数敏感性分析。在上述研究的基础上,运用现代控制理论,采用静态优化方法和动态优化方法对水压伺服阀的结构参数和传递函数进行了优化设计。静态优化主要是采用约束多目标最小值的优化方法,通过选择喷嘴中心至弹簧管回转中心的距离、反馈杆小球中心到喷嘴中心的距离、阀芯的端面面积、喷嘴孔直径等独立而且具有实际工程意义的参数为设计变量,以水压伺服阀的快速性以及稳态误差等动态指标为目标函数,对水压伺服阀的结构参数进行优化设计。动态优化方法主要是采用最优二次型控制理论,以阀芯位移最小动态误差和系统最小能耗为目标函数,来实现优化水压伺服阀动态特性的目的。在已有水压伺服阀综合特性试验台上进行了试验研究。通过幅频特性和相频特性试验曲线分析了前置放大级中不同固定阻尼孔搭配对水压伺服阀动态特性的影响。试验结果表明:水压伺服阀前置液压桥路的气蚀现象与阀芯和阀套的摩擦阻力导致了部分的幅频特性曲线和相频特性曲线不太光滑和减小了系统的频宽,即降低了系统的性能稳定性和动态响应特性。前置放大级两级阻尼孔比单级阻尼孔具有更强的抗气蚀能力,大大提高了水压伺服阀的动态性能;水压伺服阀的额定工作压力为10 MPa,额定流量为40 L/min,幅频宽大于50 Hz,相频宽大于100 Hz。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH137.52
【图文】：

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压桥路和摩擦副中的水流有可能不再是层流，而是立新的数学模型，从而建立关于水的液压桥路理计了一种新型水压伺服阀的液压桥路[30]，主要是将作为阀芯的静压支承，然后又将水引至水压伺服阀损失而且有效地避免了阀芯磨损和卡死现象，而且提高了水压伺服阀的动态性能，同时他们还建立了挡板上的液动力的射流方向与挡板面积的关系、流论。论上有着很深的造诣，而且相应的水压伺服阀产品 Ebara 公司研制的纯水比例伺服阀[34]。该阀是由喷级结构。为减少阀芯所受的摩擦力和液动力，在阀轴承腔与喷嘴挡板阀口通过阀体流道相通，从而减检测阀芯位置，并输出电信号反馈至放大器的输入于阀性能的影响，阀体采用了不锈钢材料，阀芯和量可达 80L/min，额定压力可 14 MPa。

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2 水压伺服阀数学建模与仿真水压伺服阀的结构和工作原理本文根据水的特性提出了一种水压伺服阀结构，水压伺服阀原理如图 2.1（a）要由永磁力矩马达、前置放大级和滑阀功率级等三部分组成，三者通过其中反协调关系，其中前置放大级包括喷嘴、挡板、节流孔，而且固定节流孔采用二形式。水压伺服阀的通水窗口分别为供水窗口 P，回水窗口 T 和两个控制窗力矩马达工作原理如图 2.1（b），永久磁铁将上下导磁体分别磁化为南北极，线圈套在衔铁上。衔铁两端与上下导磁体(磁极)形成四个工作磁隙①、②、③管是衔铁的弹性支座，衔铁固定在弹簧管上端，可以作微小的转动。上下导磁磁极外，还为永久磁铁产生的固定磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路磁通流动情况和电路的连接情况如图 2.1（b）所示。在磁路中当磁通通过磁磁隙处产生电磁吸力，电磁吸力的大小与磁通大小有关。

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如图 2.2 所示：图 2.2 力反馈两级伺服阀的方块图2.2.4 力反馈伺服阀的稳定性分析由图 2.2 可见，伺服阀的方块图包含两个反馈回路，一个是滑阀位移的力反馈回路，这是个主要回路，另一个是作用在挡板上的压力反馈回路，这是个次要回路。这两个回路都存在稳定性问题，下面分别加以研究。（1）力反馈回路的稳定性分析力反馈两级伺服阀的性能主要由力反馈回路决定。由图 2.2 可见，力反馈回路包含力矩马达和滑阀两个动态环节。首先要求出力矩马达小闭环的传递函数。为避免伺服放大器特性对伺服阀特性的影响，通常采用电流负反馈伺服放大器，以使控制线圈回路的转折频率aω 很高， 1 ≈0aω ，则力矩马达小闭环的传递函数为：121()'2'1++==ssKTsmfmfmfmfeωζωθφ （2-30）式中：'mfζ －由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比，

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