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电液比例溢流阀特性分析与仿真研究

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根据功率键合图的规则及其变量间的逻辑因果
关系，可判定电液比例溢流阀调压系统是一个 6 阶系 统［8］。所确定的 6 个状态变量的物理意义： x1 、x2 分 别为主阀芯和先导阀芯的位移，m； P9 、P22 分别为主阀 芯和先导阀芯的动量，N·s； V2 为液压泵出口至电液 比例溢流阀主阀口腔中用来补偿油液的压缩量及管 道受压变形量的液压油总容积，m3 ； V13 为电液比例溢 流阀先导阀前腔中用来补偿油液压缩量的液压油总 容积，m3 。由功率键合图得出电液比例溢流阀调压
的等效柔度 Ct2 = 0. 347 mm / N。 （ 2） 感 性 元。主 阀 芯 的 质 量 If1 = 7. 232 × 10 － 2
kg； 先导阀芯的质量 If2 = 2. 3 × 10 － 3 kg。 （ 3 ） 阻 性 元。 ① 泵 的 泄 漏 液 阻 Rx = 1. 9 ×
1011 kg / （ m4 ·s） ； ②电液比例溢流阀的溢流液阻 Rf1 为可变液阻； ③阻尼孔液阻 Rk1 = 2. 063 × 1010 kg / （ m4 ·s） ； ④先导阀芯的溢流液阻 Rf2 为可变液阻； ⑤阻尼 孔液阻 Rk2 = 1. 66 × 1010 kg / （ m4 ·s） 。
关闭状态。当系统的压力超过比例电磁阀的设定值， 先导阀芯开启，使先导油经外泄口 4 流回油箱。主阀 芯上部的压力由于阻尼孔 13 的作用而下降，在压力 差的作用下主阀开启，油流经压力进油口 A 经溢流 口 B 回油箱，实现溢流作用。
1 电液比例溢流阀工作机理
1. 1 电液比例溢流阀工作原理 图 1 为 AGMZA － 32 电液比例溢流阀的工作特
第 35 卷第 2 期 2010 年 2 月
煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol. 35 No. 2 Feb. 2010
文章编号： 0253 － 9993（ 2010） 02 － 0320 － 04
电液比例溢流阀特性分析与仿真研究
李军霞，寇子明
（ 太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024）
软件对电液比例溢流阀在一定工作压力下的内部流场进行了数值仿真，得到了该阀内流体的压力
和速度变化情况。研究表明，该阀具有压力调节可靠，响应快，性能稳定等特点。
关键词： 电液比例溢流阀； 工作特性； 液压软制动
中图分类号： TH137. 52
文献标志码： A
Characteristic analysis and simulation study of electricity-liquid proportion overflow valve
图 3 电液比例溢流阀调压系统原理 Fig. 3 The principle of electricity-liquid proportion
ovevflow valve regulating pressure system
2 电液比例溢流阀调压系统模型的建立
2. 1 调压系统模型的功率键合图 根据电液比例溢流阀调压系统的工作原理，应用
322
煤炭
图 4 功率键合图
Fig. 4 The power bond graph
值在 1. 4 ～ 2. 0 GPa 范围内［1］，本系统中，管路通径为
32 mm，长度 l = 6 m，考虑到液压油中含有少量微量 气体，E = 0. 7 GPa，V = 4. 285 × 10 － 3 m3 ； ②电液比例 溢流阀先导阀前腔的液容 C2 = 6. 4 × 10 － 12 m5 / N； ③ 电液比例溢流阀主阀芯调压弹簧的等效柔度 Ct1 = 0. 083 mm / N； ④电液比例溢流阀先导阀芯调压弹簧
摘 要： 阐述了一种能够解决负力拖动机械系统制动问题的液压调速软制动器的核心元件———电
液比例溢流阀，分析了电液比例溢流阀的工作机理，利用功率键合图理论和 Matlab 软件对电液比
例溢流阀调压系统的动态特性进行了仿真分析。仿真结果表明，该阀的压力调节特性与调压系统
的参数有很大关系，在合适的系统参数值下，调压时反应迅速，并具有较好的稳定性。采用 Fluent
在煤矿井下倾斜巷道中铺设的带式输送机中有 向上运 输 和 向 下 运 输 两 种［1］。对 于 下 运 带 式 输 送 机，当倾角大于一定的角度时，带式输送机上的物料 超过一定 数 量 后，其 电 动 机 就 处 于 发 电 反 馈 运 行 工 况，停车时 必 须 施 加 制 动 力 才 能 停 下 来［2］。 输 送 机 的载荷量越大、长度越长，减速停车所需的制动力就 越大。在井下这种易燃、易爆的作业环境中，带式输 送机的停车制动问题难以应用一般制动方案来解决。 机械闸瓦式制动，因摩擦发热，易发生爆炸和燃烧，不 能应用； 电气动力制动，对于负力拖动的机械系统，在
图 1 AGMZA － 32 电液比例溢流阀工作特性曲线 Fig. 1 The performance curves of the AGMZA-32 proportional pressure valve
图 2 为电液比例溢流阀的结构。当输入一个电 信号时，比例电磁铁 5 产生一个相应的电磁力直接作 用在先导阀芯 1 上，先导压力油从内部先导油口或从 外部先导油口处进人，经先导油流道 9 和阻尼孔 11 后分成两股，一股经阻尼孔 3 作用在先导阀芯 1 上， 另一股经阻尼孔 12 作用在主阀芯 8 的上部。只要进 油口 A 的压力不足以克服电磁力使导阀阀芯打开， 主阀芯的上下腔的压力就保持平衡，从而主阀芯保持
图 2 电液比例溢流阀结构图及工作原理 Fig. 2 The structure and the principle of electricity-
liquid proportion overflow valve
1. 2 电液比例溢流阀调压系统设计 电液比例溢流阀调压系统的工作原理如图 3 所
示。图 3 中定量液压泵输出的压力油经二位二通电 磁阀供给系统。可通过节流阀模拟系统中的负载。 当二位二通电磁阀突然通电，油路很快被切断，系统 中油压将迅速升高，使电液比例溢流阀开启溢流。
第2 期
李军霞等： 电液比例溢流阀特性分析与仿真研究
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软制动器，由于负载运行的带式输送机是时变系统， 同时比例节流阀的压力与控制电流也是非线性关系， 从而使控制系统很难根据负载实时调节节流阀的入 口压力，也使得被制动系统的减速度难以按预定的规 律实现。而电液比例溢流阀的压力变化与输入控制 电流信号呈线性比例关系，压力的变化可以控制［6］。
性曲线。从图 1 可以看出，电液比例溢流阀流量的变 化对阀的压力影响很小，除低压段外，阀的压力变化 与输入控制电流信号成线性比例关系。通过调节控 制系统电流信号的大小，就可准确调节阀的压力，也 就控制了制动力矩。对于液压调速软制动器来说，当 下运带式输送机负载变化时，通过控制系统的控制原 则可自动调节制动力矩大小，进而使下运带式输送机 的减速度达到较稳定的范围。
目前，实现液压调速通常采用比例节ห้องสมุดไป่ตู้阀或速度 阀来进行速度调节。对于下运带式输送机液压调速
收稿日期： 2009 － 05 － 18 责任编辑： 许书阁 作者简介： 李军霞（ 1976—） ，女，河南许昌人，讲师。Tel： 0351 － 6149093，E － mail： bstljx@ 163. com
（ 4） 液压泵向电液比例溢流阀的供油流量 Sf = 1. 00 ～ 3. 93 m3 / s； 主 阀 芯 调 压 弹 簧 的 预 紧 力 Se1 = 144 N； 先导阀芯调压弹簧的预紧力 Se2 = 0； 比例电磁 铁产生的电磁力 Sd = 40 N； A1 、A2 、A3 分别为主阀芯上 下表 面 和 先 导 阀 芯 的 有 效 作 用 面 积，A1 = A2 = 0. 25πd2 = 490. 87 mm2 ，A3 = 0. 25πd2 = 2. 54 mm2 。 2. 2 调压系统的状态方程
功率键合图的有关规则［7］建立如图 4 所示的电液比 例溢流阀调压系统流源键合图模型。
模型中考虑的影响电液比例溢流阀调压系统性 能的主要因素如下：
（ 1） 容性元。①液压泵出口至电液比例溢流阀 主阀口的液容 C1 = 6. 9 × 10 － 12 m5 / N（ C = V / E，其中， V 为腔体的容积，m3 ； E 为液压油的体积弹性模量，其
LI Jun-xia，KOU Zi-ming
（ College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）
Abstract： Elaborated the core part of hydraulic soft brake which can solve the brake question of the negative strength dragging mechanical system： electricity-liquid proportion overflow valve，analyzed the electricity-liquid proportion overflow valve’s work mechanism，and carried on the simulation analysis for the dynamic characteristic of the electricityliquid proportion overflow valve’s pressure-regulating system with the power band graph theory and the Matlab software. The simulation shows that pressure control characteristics of this valve has the great relations with the parameter of pressure-regulating system. The valve responds rapidly and has the good stability when the system parameter is appropriate. Used the Fluent software to carry on the internal flow field’s numerical simulation of electricity-liquid proportion overflow valve under certain working pressure，and obtained the fluid pressure and the speed change situation of this valve. The research indicates that this valve has the characteristics such as pressure regulating reliable，responds quickly，stable property and so on. Key words： electricity-liquid proportion overflow valve； working characteristics； hydraulic soft brake

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研究有关电液比例阀控液压调平系统设计与仿真

研究有关电液比例阀控液压调平系统设计与仿真

高技术的现代战争要求地面雷达具有良好的机动性能。

雷达天线车的快速架设、调平和撤收系统是雷达的重要系统之一，直接影响到雷达的机动性能。

电液比例控制技术填补了开关液压控制技术与伺服控制技术之间的空白，已成为液压技术中最富活力的分支。

把电液比例阀控技术成功地应用雷达车调平系统中，对于提升雷达机动性能具有重要的意义。

本文所介绍的电液比例阀控液压自动调平系统，采用了比例多路阀控制，多个调平支腿执行元件可以实现不受负载约束的无级调速控制，这是实现高效调平性能的关键。

1 调平系统特点某雷达天线车自重45 t，要求工作状态时天线水平基准小于3’，整车展开并完成调平的时间控制在2 min以内。

雷达车采用四点支撑实现系统调平的方式。

系统设计采用液压作为动力源，由电机一液压泵驱动，通过液压控制阀控制四条液压支腿的升降运动，将天线车由运输状态转架为正常工作状态，并保持水平状态的稳定。

要实现本系统的功能有两个关键技术需要解决：一是调平支腿的性能问题；二是驱动控制方式和控制策略问题。

本系统方案摒弃了常规的开关阀控设计，采用性能更为先进的电液比例控制技术，提升液压系统执行机构的控制性能，实现多个执行元件同时相互独立地在不同的速度和压力下工作，使得调平控制更为灵活，实现柔性的控制策略；功能上解决了落地检测的问题，实现了一键式调平的全自动功能，有效地保证了调平时间指标的实现。

调平支腿采用带抱闸制动功能的液压马达驱动滚珠丝杆的结构设计，机械效率高，承载能力强，满足了大吨位雷达车的使用要求；通过专门研制的液压马达制动控制阀集成模块对调平支腿实施驱动和控制。

该设计方案在满足系统要求的前提下，具备了技术的先进性，同时具有很好的通用性和可扩展性。

2 系统设计2．1液压系统工作原理及工作过程液压调平系统原理图如图1所示，液压泵采用负载敏感恒功率变量泵，泵源额定压力为180 bar，最大流量为90 L／min，电机功率11 kW。

图1液压系统原理图液压比例控制阀为负载敏感式换向阀，从执行元件通路引出的控制油信号经过换向滑阀中的信号孔引出，然后合成一个公共的信号通路，并且保证只是从某一侧获得的控制压差作用于流量调节装置。

比例溢流阀特性测试与分析（5）

比例溢流阀特性测试与分析（5）

比例溢流阀特性测试与分析（5）5 部分实验内容设计及测试分析(1)稳态压力－电流线性特性实验试验中系统负载力保持某一恒定值，在稳定工况下运行。

在虚拟信号发生器中以频率为0.04Hz的矩形波电压信号在有效控制输入电流信号100至800mA之间输入连续增大或减小的电信号，被测阀口开度也随之变化。

重复试验10次，将测得的压力值采集至计算机，在LabVIEW中记录显示并在Matlab中得到被测试阀从最低(高)开启压力运行到最高(低)工作压力的一个完整周期的两条p－I特性拟合曲线(图3)，可得出该测试阀的线性度、重复精度等特性参数。

图3 稳态压力－电流线性度拟合曲线图分析图3可知：在输入电流为100～250mA时，压力信号数据采集点产生波动，说明该信号在该段区域存在一定的非线性，其非线性最大偏差值在240～250mA点处，线性度为2.47%，小于比例阀出厂规定的3.5%线性误差，表明比例溢流阀在试验工况下工作性能稳定，线性度在正常允许范围内，且测试精度可精确至0.01%，实验设计合理。

(2)稳态负载特性实验在低压小流量工况下保持恒定负载，此时给被测阀一个控制信号，通过压力传感器11、12、13、14测量压力点p1、p2、p3、p4的实时变化。

在若干组不同时间间隔内(如1s，3s，5s…；3s，6s，9s…)观测各个压力测量点的波动变化。

通过LabVIEW和Matlab对数据进行采集和时域、频域分析。

此实验可对比p1、p2、p3、p4压力点的动态变化过程，可反映出被测阀的动态特性以及调压过程中液压系统产生压力脉动的成因。

时域分析结果见图4。

图4 p1点时域信号由图4可知：被测阀在调定5.5MPa压力值后系统平稳运行采集到的压力点位不规则波动，表明在该试验工况下，工作液压缸克服负载工作时对系统管路产生一定的压力扰动；此外，试验中可能出现了工作液压缸在克服负载时行进阻滞或受到短时较强的外界干扰，因此在18200、18900、19300的实时采样点处出现了幅值较大的波动。

比例溢流阀特性测试与分析（1）

比例溢流阀特性测试与分析（1）

比例溢流阀特性测试与分析（1）
比例阀特性测试多在体积较大、仪器设备昂贵的专用实验台上进行，且测试手段单一，测试系统软、硬件扩展性较差。

因此设计研制了一种结构小巧、经济实用的比例溢流阀特性测试试验台配以基于虚拟仪器的测试与分析的软件系统，既满足了比例阀各种特性测试和分析需要，又能扩展系统的软、硬件及实验项目。

1 液压试验台的开发
液压试验台由4mm不锈钢板喷漆焊制成操作台体机架，台面为长900mm、宽700mm、高800mm并带有扩展T型槽的板台。

将试验台所需的DBE型先导式比例溢流阀、三位四通电磁方向阀、节流阀、调速阀、高精度压力传感器、流量传感器、背压阀、蓄能器、液压油管等各种元、辅件合理安装至板台前面板上，并预留阀块扩展空间。

液压系统执行元件为两个自加工制作的有效行程为200mm的双作用单杆活塞式液压缸，分别为实验缸和负载缸。

液压泵站采用双叶片泵供油方式分别对系统供油。

1、10-液压泵；2-DBC先导比例溢流阀；3、8-三位四通方向阀；
4-节流阀；5-调速阀；6-实验液压缸；7-负载液压缸；9-背压阀；11、12、13、14-压力传感器
图1 液压系统设计原理图。

电液比例方向阀控位置系统仿真研究

电液比例方向阀控位置系统仿真研究

电液比例方向阀控位置系统仿真研究摘 要：为了满足生产工艺的设计要求，电液比例控制系统的静态性能和动态性能往往需要进行校核，本文结合比例控制元件的特性和自动控制原理设计方法，通过参数计算建立了电液比例方向阀控位置系统的数学模型，利用MA TLAB 仿真校核比例控制系统的动态性能，实现了对系统参数的校正。

关键词：电液比例阀；数学建模；MA TLAB0 前言电液比例阀是在通断式控制元件和伺服控制元件的基础上发展起来的一种电－液控制元件，它可以接受电信号的指令，连续地控制液压系统的压力、流量和方向等参数，使之与输入信号成比例地变化。

电液比例控制技术作为连结现代微电子技术和大功率工程控制设备之间的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。

与传统的电液伺服技术相比，它具有可靠、节能和廉价等明显特点，已经赢得相当广泛的应用领域。

实际应用中，为了改进和优化电液控制系统的控制特性，需要对系统进行理论分析和实验研究。

理论分析通常借助自动控制理论，为了分析便利常引入一些假设使问题简化，往往难以得到令人满意的结果；实验研究一般以建立实际系统或相似物理模型为前提，需要在时间、空间、费用等方面花费较大的代价。

相对而言，采用计算机仿真手段对电液控制系统进行研究则具有非常突出的优点[1]。

本文利用MA TLAB 仿真具有改变参数方便，与客观实际一致性好，省工省时，研究质量高的优点对比例方向阀控闭环位置系统进行了动态性能分析。

1 系统数学建模图1为采用比例方向阀构成的闭环位置控制系统，其基本组成与相应各环节的传递函数如图2所示。

建立只有惯性负载的动态数学模型方法如下[2]：1）比例放大器：其转折频率比系统的频宽高得多，可近似为比例环节，设增益为a K 。

2）位置检测传感器：其频宽也比系统频宽高得多，亦可近似为比例环节，设增益为m K 。

3）比例方向阀：根据测试结果，工程上将比例方向阀视为一个二阶环节，传递函数为1)(222++=vv vssqpv K s W ωδω，式中q K 为比例方向阀的流量增益（A s m⋅3）；v ω为比例方向阀的相频宽（s rad ）；v δ为比例方向阀的阻尼比，取值范围为0.5～0.7。