非对称缸电液伺服系统分析和设计.

1哈工大电液所非对称缸电液伺服系统分析和设计2非对称缸电液伺服系统分析和设计李洪人教授2008年11月哈尔滨工业大学电液伺服仿真与试验系统研究所《机床与液压》第三届技术研讨会专题报告哈工大电液所[e-mail]3报告要点：1非对称缸电液伺服系统研究意义2阀控非对称缸系统静态特性分析（压力特性，输出特性，可适应负载变化范围、最佳负载匹配设计）3阀控非对称缸系统传递函数建模简介及应用传递函数分析和设计实际系统应注意的四个问题4对称阀控非对称缸系统静态、动态特性存在的若干问题5非对称阀控制非对称缸系统的非线性状态方程建模6应用非线性状态方程分析阀口误差对系统压力特性的影响7小结哈工大电液所[e-mail]4一、非对称缸电液伺服系统研究意义非对称缸就是普通常用的单出杆液压缸结构尺寸紧凑，安装使用方便，价格低廉图中为几种液压缸结构原理1.1非对称缸及其特点21AAa)单出杆非对称缸b)双出杆对称缸c)单出杆对称缸哈工大电液所[e-mail]51.2非对称缸电液伺服系统的特点非对称缸电液伺服系统远比对称缸系统复杂，控制起来存在许多问题。①换向压力突跳问题，易出现气蚀和超压现象；②两个方向上系统动特性不对称。分析与设计方法与对称缸电液伺服系统不同哈工大电液所[e-mail]6二、阀控非对称缸系统的静态特性vmLA2P2(P2')FL(=mLg)A1P1(P1')PSP0XvQ1(Q1')Q2(Q2')AA4231hw=4hhw=2hA—A或阀控非对称缸原理图2.1对称阀控制非对缸系统的结构原理哈工大电液所[e-mail]1234===21/1AAn7当Xv0，阀进出油口的节流方程为：0yLy1234spvxMLF2q1q2A1A1p0p2p0y1V2V阀控非对称缸系统图中：A2/A1=n，w2/w1=m；w1=w4，w2=w3；此时m=1，即哈工大电液所[e-mail]2.2对称阀控制非对称缸时的压力突跳112()dvsQCwxPP222dvQCwxP1122LPAPAF稳态时力平衡方程1234===8哈工大电液所[e-mail]3113/1sLnPFAPn2123(/)1sLnPFAPn3'113/1sLnPFAPn2'123/1sLPnFAPn经过推导可得Xv0时两腔压力同理，可得Xv0时两腔压力液压缸换向时压力突变值为：无杆腔：2'1113(1)1snPnPPPn有杆腔：2'2223(1)1sPnPPPn9P10123-1-2P1'P10P1（MPa）FL（N）104510150P1P20123-1-2P2'P2P20P2（MPa）FL（N）104510150无杆腔压力变化（PS＝10MPa）有杆腔压力变化（PS＝10MPa）由图可见，当负载大范围变化时，液压缸两腔将会出现超压或气蚀现象。对称阀控制非对称缸系统的负载变化范围受到了限制，特别是承受拉向负载的能力较差。为防止气蚀和超压现象，必须采取一定技术措施。哈工大电液所[e-mail]102.3传统防气蚀和超压的技术措施mL伺服阀ABP0PS高压蓄能器防气蚀阀组低压蓄能器安全阀组防气蚀装置原理图1.对负荷变化的范围加以限制2.将液压缸的面积设计得很大3.国外曾采用在液压缸的两腔设置防气蚀单向阀组和安全阀，以及在阀与有杆腔之间的管路上设置单向节流阀等加以补救。图中为其原理。几种传统防气蚀和超压措施：然而，负载变化范围仍然不够理想，压力突跳不能消除。哈工大电液所[e-mail]112.4非对称阀控制非对称缸的压力特性为了从根本上改善液压系统压力特性，建议采用非对称阀控制非对称缸2.4.1阀与缸完全匹配的情况阀的节流窗口面积梯度比与缸的面积比相等(m=n)，这时两腔压力为nAFnpppLs1/1'11nAFpppLs1/1'22压力突跳不存在了1P＝020P＝哈工大电液所[e-mail]120123-1-2P1（MPa）FL（N）104510150P1,P10,P1'0123-1-2P2（MPa）FL（N）104510150，，P2P2'P20无杆腔压力变化（m=n）有杆腔压力变化（m=n）可见，液压缸两腔压力不再受运动方向影响，换向时的压力突变消失，系统能够承受的负载变化范围变大。完全匹配的非对称阀控制非对称缸从根本上消除了非对称缸对系统压力特性带来的不利影响。哈工大电液所[e-mail]132.4.2阀与缸不完全匹配的情况实际应用时，可能采用与缸的不对称度不完全匹配的非对称阀(m≠n)当活塞杆运动方向改变时，两腔压力变化为：无杆腔：有杆腔：22'11132()snmnPPPPnm22'22232()smnPPPPnm哈工大电液所[e-mail]14-2-10123x104-5051015FL(N)P1(MPa)p'1p1-2-10123x104-5051015FL(N)P2(MPa)P'2P2液压缸无杆腔的压力变化(m≠n)液压缸有杆腔的压力变化(m≠n)可见压力突跳比对称阀控制非对称缸时好得多，但不如完全匹配的非对称阀控制非对称缸好，液压缸能够承受的负载范围比对称阀有所增大。哈工大电液所[e-mail]152.5阀控非对称缸系统适应的负载变化范围要求液压缸两腔不出现气蚀和超压现象，这时阀控非对称缸所承受的负载的变化应限制在一定范围内。0vx经推导，当（活塞杆伸出）时，LF负载的变化范围限制在3112sLsnPAFPAm气蚀条件1p超压条件1p2112(1)sLsmnPAFPAn气蚀条件2p超压条件2p（限制条件）1p（限制条件）2p0vx当（活塞杆伸出）时，LF负载的变化范围限制在3112(1)sLsnnPAFnPAm气蚀条件'1p超压条件2112sLsmnPAFPAn气蚀条件超压条件'2p（限制条件）（限制条件）'1p'1p'2p'2p哈工大电液所[e-mail]16针对阀控非对称缸可能出现的四种情况加以讨论：（1）.当m=1（即对称阀控制非对称缸）时，有效负载范围为：（2）.当m=n（即完全匹配的非对称阀控非对称缸）时，有效负载范围为：131113)1(APnnFAnPAPFAPnsLssLs00vvxx11APFAnPsLs（3）.当1m1n，且m﹥n（是一种不完全匹配的非对称阀控制非对称缸）时，有效负载范围为：12311123)1(APmnnFAnPAPFAPmnsLssLs00vvxx哈工大电液所[e-mail]17（4）.当m﹤n（是一种不完全匹配的非对称阀控非对称缸）时，有效负载范围为：12211122)1(APnmFAnPAPFAPnmnsLssLs00vvxx可见，完全匹配的非对称阀―非对称缸系统的承载能力最大，不完全匹配的非对称阀―非对称缸系统次之，对称阀―非对称缸系统的承载能力最差。这一承载能力，可从阀控非对称缸的压力－负载曲线上看出来。哈工大电液所[e-mail]18以对称阀控制非对称缸为例，其压力特性如图所示-2-10123x104-5051015FL(N)P1(MPa)P'1P1-2-10123X104-5051015FL(N)P2(MPa)P'2P2液压缸无杆腔的压力变化(n=0.51)液压缸有杆腔的压力变化(n=0.51)哈工大电液所[e-mail]192.6阀控非对称缸的输出特性（压力－流量特性或负载速度－力特性）2.6.1对称阀控制对称缸的输出特性（QL/Q0）V0+(Q0(Qmax+))0FL0=0(PL/PS)(PSA)0.250.50.751.0V＝QL/A1(-PSA)-1V0-(Q0(Qmax-))-0.25-0.5-0.75-1.0FL=APL液压缸为对称缸时，流量方程可写成：1()vLdvLvxQCwxPsPx0max1dvQCwxPs0max1vvLLvvsxxQPQxxP对称阀控持对称缸输出特性哈工大电液所[e-mail]202.6.2对称阀控制非对称缸的输出特性当活塞杆伸出(Xv0)，)()1(2)(21311111LsvdsvdPPnAwxCPPAwxCAQv当活塞杆缩回(Xv0)，)()1(221311111LsvdvdPnPnAwxCPAwxCAQv哈工大电液所[e-mail]21V0max+0FL=0(1-n+n3)PSA10.250.50.751.0v＝Q1/A1-n3PSA1-0.25-0.5-0.75-1.0FLV0max+n气蚀区超压区FL0=（1-n）12-nPSA1PSA1PSA1对称阀控非对称缸系统输出特性曲线哈工大电液所[e-mail]222.6.3非对称阀控制非对称缸的输出特性当活塞杆伸出(Xv0)，)()(2)(22321111111LsvdsvdPPmnmAxwCPPAxwCAQv当活塞杆缩回(Xv0)，)()(222321111111LsvdvdPnPmnmAxwCPAxwCAQv令Q0、v0为FL=0和xv=xvmax(xv﹥0)时，阀的空载最大流量和活塞杆的空载最大速度（伸出速度）为：svdPmnmxwCQ)(2232max10svdPmnmAxwCAQv)(22321max1100哈工大电液所[e-mail]23则活塞杆伸出和缩回时的无因次速度可表示为0vx1max0/1APFxxvvsLvv0vx1max0/APFnxxvvsLvv将伺服阀的压力-流量曲线经坐标变换(FL=APL,v=QL/A)绘于FL-v平面上，负载FL变化范围要确保：sspppp2100Xv0或Xv0据此可以绘制阀控非对称缸系统的输出特性曲线，哈工大电液所[e-mail]24V0max+0FL=0(1-n+n3)PSA10.250.50.751.0v＝Q1/A1-n3PSA1-0.25-0.5-0.75-1.0FLV0max+n气蚀区超压区FL0=（1-n）12-nPSA1PSA1PSA1-n-0.2500.250.50.751-1.25-1-0.75-0.5-0.2500.250.50.7511.25FL/PsA1v/vmax-0.2-0.4-0.61.00.80.60.40.20-0.8-1.0xv/xvmaxFL0/PSA100.51-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81FL/PsA1v/vmax-0.2-0.4-0.6-0.8-1.00.20.40.60.81.0xv/xvmaxFL0/PsA1气蚀区（无杆腔）超压区（无杆腔）-n3/m2-n1-n+n3/m200.51-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81FL/PsA1v/vmax-0.2-0.4-0.6-0.8-1.00.20.40.60.81.0xv/xvmaxFL0/PsA1超压区（有杆腔）气蚀区（有杆腔）1-n-m2/n2-nm2/n2对称阀控非对称缸系统输出特性曲线非对称阀控非对称缸系统输出特性曲线(m=n)非对称阀控非对称缸系统输出特性曲线(mn)非对称阀控非对称缸系统输出特性曲线(mn)哈工大电液所[e-mail]252.6.4对比分析将以