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关于高速电液执行器的性能仿真及研究

    活塞式压缩机变排量技术是压缩机行业的领先技术,其原理是通过控制气阀的打开和关闭时间来改变活塞每个行程周期内气体的压缩量,从而实现压缩机排气量无级可调。高速电液执行器是变排量压缩机的核心元件,它将液压能转换成机械能(1)使气阀克服弹簧力打开,执行器的动态性能很大程度上决定了压缩机变排量的效率和精度。但由于活塞的运动周期一般只有几百毫秒,为了满足控制系统实时性的要求,使得电液执行器必须具有很高的动态响应速度(2,3)

    常规设计方案是利用单个高速开关阀驱动电液执行器,但由于国内在高频响应、大流量高速开关阀的研上起步较晚,高速开关阀提供的流量限制导致执行器响应速度较慢,不能满足变排量压缩机电液控制系统的要求(4)

    为了解决上述问题,笔者提出一种双阀驱动方案,其原理,如图1所示。电液执行器由高速开关阀、二级机械阀和柱塞缸组成。高速开关阀作为二级机械阀的先导级,先导油推动二级机械阀芯动作从而控制柱塞缸无杆腔和高压油路的通断。本研究通过对高速开关阀、二级机械阀和柱塞缸结构和系统原理图的分析,建立电液执行器的数学模型。

   1 数学模型

    高速开关阀为二位三通球阀结构形式(5)内部结构,如图2所示。

    其工作原理为:常态下进油口P与工作油口A的通路处于关闭状态,回油口B与工作油口A连通。当电磁铁线圈得电时,P口与A口导通,高压油经A口进入机械阀先导油腔。电磁铁失电后,高速开关阀阀芯在高压油的作用下复位,P口到A口的通路关断,A、B口导通,柱塞缸内部油液通过B口流回油箱。

    通过以上分析,得到阀芯受力平衡方程:

    FM-PSAS=mg¨y+BÛy     (1)

    流过二级阀先导控制油口的流量方程(6)

    式中FM—电磁推力;PS—油源压力;AS—阀芯面积;mg—阀芯质量;y—阀芯位移;B—阻尼系数;Q1—流过高速开关阀控制油口的流量;Cd—高速开关阀流量系数;Ag—高速开关阀阀口过流面积;ρ—油液密度;PA—二级机械阀控制口压力。

    二级机械阀为四边滑阀结构形式,主体与电液执行器通过螺纹配合,其内部结构,如图3所示。常态下在复位弹簧的作用下阀芯处于关闭状态,A口与B口的回油路导通。当高速开关阀电磁铁得电时,高压油经电磁阀A口进入先导油口X,使机械阀进油P与工作油口A导通,高压油进入柱塞缸无杆腔推动柱塞动作。

    根据以上分析,得到机械阀芯受力平衡方程:

    PAAe-KPz-FP=mP¨z+BÛz      (3)

    流过柱塞缸无杆腔的流量方程:

    流过二级阀先导控制油口的流量同时有:


    式中Ae—二级机械阀阀芯面积;KP—二级机械阀弹簧刚度;z—二级机械阀阀芯位移;FP—二级机械阀弹簧预紧力;mP—二级机械阀阀芯质量;Q2—流过活塞缸无杆腔的流量;CP—二级机械阀流量系数;AP—二级机械阀阀口过流面积;PL—柱塞缸无杆腔压力;Q1—流过二级机械阀控制油口的流量;Cm—二级机械阀内泄漏系数;VP—二级机械阀控制腔初始容积;βe—液压油弹性模量。

    柱塞缸柱塞受力平衡方程:

    PLAL=M¨x+BÛx+KLx   (6)

    流过柱塞缸无杆腔的流量同时有:

    式中AL—柱塞缸无杆腔柱塞面积;M—柱塞缸内运动件总质量;KL—柱塞缸弹簧刚度;Ct—柱塞缸内泄漏系数;V0—柱塞缸无杆腔初始容积;x—柱塞缸活塞位移。

    通过对高速开关阀、二级机械阀、柱塞缸的测量,得到电液执行器数学模型的主要参数,如表1所示。

    2 仿真研究

    根据系统数学模型和实测参数,本研究对系统进行了动态性能仿真。系统阶跃输入时,柱塞的位移—时间曲线仿真结果,如图4所示。

    由图4可以看出,双阀驱动下电液执行器的响应时间约为11ms,可以满足在活塞式压缩机上的配流系统要求。由于采用两级液压放大,电液执行器的驱动能力明显增加。同时电液执行器采用先导式结构,压缩机排量控制系统只需要输出一个高速开关阀的开关信号即可控制配流调节阀的启闭。与多高速开关阀并联驱动相比,减少了电控阀的数量,使系统出错的概率大大降低,提高了系统可靠性,满足实际工况需要。

    柱塞缸无杆腔压力PL、高速开关阀A口压力PA的仿真结果,如图5、图6所示。

    由图5、图6可以看出,高速开关阀A口的建压时间约为4ms,压力建立后柱塞开始运动,仿真结果与图4一致。柱塞腔压力的建立时间主要受高速开关阀动作速度的影响,高速开关阀的动作滞后造成二级机械阀的阀芯动作存在二次滞后,因此,加快高速开关阀的响应速度可以有效地减少柱塞缸的建压时间,提高系统频响。

    3 结束语

    仿真结果表明,双阀驱动方案的系统响应时间只有11ms,符合系统实时性要求,完全可以满足实际工况的需要,同时电液执行器采用先导式结构,压缩机排量控制系统只需要输出一个高速开关阀的开关信号即可控制配流阀门的启闭。与多高速开关阀并联驱动相比,该方案减少了电控阀的数量,使系统出错的概率大大降低,提高了系统可靠性。

    本研究为双阀驱动的高速电液执行器在变排量压缩机的应用提供了理论支持。

    参考文献(Reference):
    (1)郁秀锋。电液执行器在车用柴油机电控系统中的应用研究(J)。车用发动机,1996(1):54-58。

    (2)ALLEYNEA。Nonlinearforcecontrolofanelectro2hydraulicactuator(C)。ProceedingsoftheJapan/USASymposium
onFlexibleautomation,1996:193-200。

    (3)BANAVARRN,AGGARWALV。Alooptransferrecoveryapproachtothecontrolofanelectro2hydraulicactuator(J)。
ControlEngineeringPractice,1998(7):837-845。

    (4)吴根茂,邱敏秀,王庆丰,等,新编实用电液比例技术(M)。杭州:浙江大学出版社,2006。

    (5)孔晓武。高速开关阀动态性能试验装置及其应用研究(J)。机电工程,2005,22(8):38-40。

    (6)张蕊,魏建华,邵威。高速电液执行器的仿真研究(J)。机电工程,2006,23(6):28-29