非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用

非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用

陈桥

重庆凯瑞测试装备有限公司，重庆市，401120

摘要：非对称液压缸具有占用空间小、制造简单、成本低等优点，在液压系统中得到广泛应用。但是，在液压伺服系统中，特别是在零开度伺服阀控制的阀控缸系统中，由于非对称液压缸活塞两侧的承载面积不同，当伺服阀芯在零开度附近摆动时，液压缸的两个腔室交替供油，活塞的运动方向交替变化。此时液压缸的两个腔室会产生突然的压力跳变，导致系统振荡、爆炸，不仅影响系统的稳定性，还会导致系统无法正常工作，甚至导致液压。在使用计算机仿真设计液压系统时，这个问题很容易被忽略，导致设计失败。

关键词：伺服阀；不对称液压缸；三通阀;

 分析一个实际零开口对称伺服阀控不对称液压缸的液压系统设计案例，对对称阀控制不对称液压缸进行了不相容性分析，明确系统产生“爆振”的原因，以及提出该设计失败后的改进方案。

一、对称四通伺服阀控制不对称液压缸可行性

1.对称四通伺服阀控制不对称液压缸方程推导。对称四通伺服阀控制不对称液压缸如图1所示。

图1对称四通伺服阀控制不对称液压缸

图1中，L１、A１为液压缸无杆腔行程和有效工作面积；L２、A２为液压缸有杆腔行程和有效工作面积；V１、V２分别为液压缸无杆腔和有杆腔容积；p１、p２分别为液压缸无杆腔和有杆腔压力；vp１、vp２分别为活塞杆伸出与退回速度；∑F１、∑F２分别为活塞杆伸出时负载和退回时负载；q１、q２分别为液压缸无杆腔流量和有杆腔流量；q３为活塞杆外伸时伺服阀的回油流量；q４为活塞杆退回时伺服阀的回油流量；a１、a２、a３、a４为四通伺服阀各节流口的通流截面积；xp为液压缸活塞的位移；mt为活塞及其刚性联接件、油液及负载等效到活塞上的总质量；BP为活塞和负载的黏性阻尼系数；ps为四通伺服阀进油压力；xv为四通伺服阀阀芯位移。当四通伺服阀为对称零开口阀时，为简化分析，不考虑油液的可压缩性和液压缸的泄漏，假设∑F为液压缸活塞上的总负载，FL为外负载，FC为摩擦力。

2.仿真设计的误区。建立的对称四通伺服阀控制不对称液压缸的动态仿真模型，代入系统设计参数，利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具软件进行系统的动态仿真。系统的输入为四通伺服阀阀芯的位移xv，其给定值为0.4ｍｍ，输出为液压缸活塞位移xp。当系统输入单位阶跃信号后，液压缸活塞的位移经过响应时间Ts后，曲线趋于收敛，表明该系统为稳定系统，可以正常工作。但是，在实际系统的制造调试过程中，却出现了严重的液压系统震荡，出现了管路破裂。究其原因是对称四通伺服阀控制不对称液压缸不相容性造成的。因此有必要研究此类工程实际中液压系统设计的改进方案。采取必要措施解决这一问题。由于存在油液的压缩性，因此，在巨大的压力跃变下，必然引起油液的“内爆”或“外爆”，因此，即使在ｄxp／ｄt＝０附近，也不能平稳地工作。从上述分析还可以得知，即便对称四通伺服阀控制不对称液压缸系统在动态仿真系统中得到的阶跃响应曲线表示该系统为稳定系统，但是由于存在以上分析的对称四通伺服阀与不对称缸的不相容性，当对称四通伺服阀阀芯在零开口附近正负位移振荡（这是伺服阀的正常工作状态）且振荡频率时间小于系统的响应时间Ts时，系统压力振荡来不及收敛，会出现振荡压力叠加、产生系统共振和“爆振”。

二、现阶段研究现状

对称伺服阀控制非对称缸系统与其控制对称缸系统相比在工作特性上有很大差异。在参数相同情况下，后者的动态性能更好。针对对称阀控制非对称液压缸的不对称性和非线性，研究对非对称液压缸的控制，提高系统响应特性，实现稳定、高速度和高精度的控制要求，始终是液压系统设计实践中存在的重要课题。一些学者已在此方面进行了研究。通过对对称四通阀控非对称液压缸具体系统的仿真分析，得出影响该类系统的具体参数；针对对称阀控制非对称缸系统的两种常见补偿方法进行建模仿真，分析其补偿效果；采用基于小脑模型神经网络（ＣＭＡＣ）的控制策略，设计了ＣＭＡＣ复合控制器，无须精确获取系统数学模型和负载状态，适合于对称阀控制非对称缸系统的实时控制。用标准的电液伺服阀时，阀是对称的。为了避免产生压力跃变并使活塞往返速度相等，根据流量补偿原理，提出了一种电路-面积补偿法，电路-面积补偿法的实质是通过电路产生补偿电流，从而使阀产生补偿位移，以补偿活塞面积差。提出了非对称阀控制非对称缸的概念，并对传统的负载流量和负载压力重新进行了定义，依此对非对称阀控制非对称缸的静态特性和动态特性进行了分析，推导了其传递函数及方框图，其推导过程对此类伺服系统的设计具有积极的指导意义；从阀控对称液压缸、非对称液压缸的统一特性出发，推导了统一的阀控液压缸系统的流量方程，不仅兼顾了液压系统实际工作规律和阀控缸系统的统一性，对各种阀控液压缸正反向速度比给出了统一表达式。

三、实际解决方案

三通阀控不对称液压缸示意图如图2所示，图2中，Ac为油缸无杆腔面积，Ar为油缸有杆腔面积，Vc为无杆腔容积，pr为油缸回油腔背压，Cip为泄漏系数；G为油缸负载，pc为进入油缸的工作压力，xv为阀芯位移；ps为系统压力；const为常数。活塞无杆腔通恒定低压，这种接法常用于输出力要求很大的位置控制或力控制系统，最典型的就是轧机压下液压伺服系统和钢坯提升系统。钢坯提升伺服系统中，重力G很大，因此只须将图2中阀口２打开，活塞便能实现下降行程；同时在活塞无杆腔一侧接入pr＝0.5ＭＰａ左右的恒定低压作为背压，提高速度稳定性（本系统压力ps＝１３ＭＰａ）。由于一般电液伺服阀多采用四通阀，为了实现三通，可堵住四通阀的一个控制口，如此便实现了三通阀控制。

图2三通阀控不对称液压缸

实际工程中对液压系统设计做了改进，改进后的液压系统原理如图3所示。改进后的液压系统将对称伺服阀４的Ａ口堵死，其作用相当于双边三通伺服阀。

图3改进后的上升／下降液压系统原理

１．减压阀２．溢流阀３、５．两位四通换向阀４．对称伺服阀６、７．液控单向阀８．溢流阀９．非对称油缸

另外，在回路中设置了溢流阀２作为伺服阀控制液压缸提升时回油路的恒定背压；两位四通换向阀５堵死Ａ口后作为两位三通换向阀使用，为液控单向阀６和液控单向阀７提供反向开启控制油。液压缸提升时２ＤＴ、４ＤＴ通电，压力油经对称伺服阀４（左位）、液控单向阀６进入液压缸下腔，液压缸上腔回油经液控单向阀７（反向开启）、溢流阀（背压阀）２回油箱，控制２ＤＴ输入电流大小可以控制液压缸提升速度；油缸下降时１ＤＴ、３ＤＴ、４ＤＴ通电，压力油经减压阀１减压后经两位四通换向阀３（左位）、液控单向阀７（正向）进入液压缸上腔，液压缸下腔回油经液控单向阀６（反向开启）、对称伺服阀４右位回油箱，控制３ＤＴ输入电流大小可以控制液压缸下降速度；液压缸悬停时，各电磁铁均不通电，液控单向阀６和液控单向阀７均关闭锁紧防止泄漏。采用改进后的液压系统，消除了对称四通伺服阀控制不对称液压缸的不相容性，设备经调试后功能正常，未出现系统振荡和“爆振”现象，系统工作稳定、各项技术指标达到设计要求，安全性也得到了有效保障。

总之，采用三通阀控制不对称液压缸，不仅能消除或者大大缓解压力突变，而且还能提高系统的承载能力和系统控制的稳定性，为解决此类问题提供了一种新思路。

参考文献：

［１］王其朋，对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究．2020．

［２］刘长耿．浅谈非对称伺服阀在阀控缸电液伺服系统中的应用.2022.