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一种通径6的2D数字伺服阀的实验研究

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７２　液压与气动　２０１０年第７期　

一种通径６的２Ｄ数字伺服阀的实验研究　

王国良。俞浙青。裴翔。阮健　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　２　Ｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｅｒｖｏ　ｖａｌｖｅ一　６　

ＷＡＮＧ　Ｇｕｏ—ｌｉａｎｇ，ＹＵ　Ｚｈｅ—ｑｉｎｇ，ＰＥＩ　Ｘｉａｎｇ，ＲＵＡＮ　Ｊｉａｎ　

（浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州３１００１４）　

摘要：对通径６的数字伺服阀的性能进行研究。首先阐明２Ｄ数字伺服阀的工作原理，其次分析其内　

泄漏的原因并进行理论分析。２Ｄ数字伺服阀为利用阀芯的双运动自由度原理设计而成的导控型阀，由于其　

采用的是螺旋伺服机构，使得两个自由度互不干扰，十分巧妙地实现了两级阀的功能。最后对其进行试验研　

究，实验结果和与国外阀的性能比较均表明２Ｄ数字伺服阀具有良好的动态性能，并且其内泄漏量很小。　

关键词：２Ｄ伺服阀；静态性能分析；伺服螺旋结构；阶跃响应　

中图分类号：ＴＨ１３７　文献标识码：Ｂ　文章编号：１０００－４８５８（２０１０）０７－００７２－０４　

引言　

随着科学技术的发展，伺服控制技术在自动控制　

领域得到日益广泛的应用，有关伺服控制技术在企业　

界、学术界成了一个新的研究热点。电液伺服阀是电　

液伺服控制系统中的关键元件，其性能在很大程度上　

直接决定了整个伺服系统的性能。本文主要对２Ｄ数　

字伺服阀的性能进行了实验研究。　

１　２Ｄ数字伺服阀的工作原理　

本文研究的２Ｄ数字伺服阀的结构如图１所示。　

阀体采用圆柱滑阀，阀芯具有旋转运动自由度和滑动　

自由度，阀右腔与入口压力（系统压力）相通，其面积　

为左腔的一半；左腔的压力由开设在阀芯左端台肩上　

的一对高、低压孔和开设于阀体孔左端的螺旋槽相交　

的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。　

步进电机通过螺旋传动机构驱动阀芯在一定的范　

围内正、反向转动。当步进电机驱动阀芯正向转动时，　

高压孔与螺旋槽之间形成的拱形面积增大，低压孔与　ｌ７　ｌ６　１５　１４　

１．步进电机２．安装板３．螺钉４．限位销５．电机转轴　６．齿轮７．螺钉８．右端盖９．同心环１０．摆轮１１．螺钉　１２．螺纹孔１３．ｏ形圈１４．挡板１５．螺钉１６．阀套１７．阀芯　图１　２１）数字伺服阀示意图　

收稿日期：２０１０－０１－２１　基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０６７５２０４）；浙江省　

自然科学基金资助项（Ｄ１０８０６６７）。　作者简介：王国良（１９８４一），男，浙江宁海人，硕士研究生，主　要从事电液控制系统的研究工作。　

由于现在液压挖掘机的型号及其结构更新换代特　

别的快，行走机构振动诊断测试具体系统，应依据液压　

挖掘机行走机构的具体构造进行调整。同时应注意振　

动传感器的安装位置，测量点尽量靠近所测对象的最　

近位置，而且是故障敏感区域，以减少振动信号在传递　

过程中印章环节造成的能量衰减和噪声的增加。通过　

程序对不同部位不同频率信号进行处理和分析，并通　

过显示器显示出故障频率等信息。　参考文献：　［１］章信才．进口挖掘机液压系统结构原理与维修［Ｍ］，沈　

阳：辽宁科学技术出版社，２００８．７．　［２］　归少雄，马丽英．液压挖掘机的回转装置故障的振动诊断检　测系统　｝计［Ｊ］．筑路机喊与施王ｃ『【榭讹，２Ｏ０４，（１０）：４２－４３．　［３］李国华，张永忠．机械故障诊断［Ｍ］．北京：化学工业大学　

出版社，１９９９．１．　［４］朱齐平．进口挖掘机维修手册［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术　

出版社，２００４．５．　１２３　４５６７　８９ｍ¨　

Ｂ　２０１０年第７期　液压与气动　７３　

螺旋槽之间形成的拱形面积减小，则左敏感腔压力升　

高，阀芯所受的轴向力失去平衡，阀芯右移，直至高低　

压孔又回到螺旋槽的两侧，使两个微小弓形面积相等　

的位置，压力恢复为人口压力（系统压力）的一半，并　

保持轴向力平衡。当步进电机驱动阀芯反方向转动，　

则左敏感腔的压力下降，阀芯左移。两个自由度之间　

互不干涉，因而可以用这两个运动自由度分别实现双　

极阀的导控级和主阀的功能，故可将传统的双极阀集　

成为一个阀体，大大地减轻了重量和空间体积。　

２内泄漏分析　

内泄漏是衡量伺服阀性能的一个重要指标。２Ｄ　

数字伺服阀内泄漏包括导控级内泄漏和主阀内泄漏。　

主阀的内泄漏和一般的滑阀一样，取决于主阀的开口　

以及主阀阀芯阀套之间的配合间隙。在这里我们分析　

主阀阀芯阀套之间的缝隙泄漏和导控级内泄漏。　

２．１　主阀阀芯阀套之间的缝隙泄漏　

阀芯与阀套之间理想情况下为同心环形缝隙；但　

实际上，它是偏心环形缝隙。设内外圆间的偏心量为　

ｅ，在任意角度０处的缝隙为ｈ。因缝隙很小，ｒ　ｒ：一　

ｒ，可把元圆弧所对应的环形缝隙问的流动近似地看作　

是平行平板缝隙间的流动。　

ｄｑ：　△ｐ＋＾　。　（１）　

由图２的几何关系，可以看到：　

ｈ　ｈ０一ｅｃｏｓＯ＝ｈｏ（１一￣ＣＯＳＯ）　（２）　

式中：ｈ。为内外圆同心时半径方向的缝隙值；　为相　

对偏心率，　＝ｅ／ｈ　。将ｈ值代人上式并积分后，便得　

偏心环形缝隙的流量公式为　

ｇ　＝（１＋１＿５ｅ２）　卸＋　Ｕ０（３）　

式中：ｑ　为２Ｄ数字伺服阀主阀阀芯阀套之间的缝隙　

泄漏量。　

Ｉ　Ｊ　

图２　阀芯阀套间缝隙泄漏　２．２导控级内泄漏　在静态条件下，２Ｄ数字伺服阀由于没有实际的导　

阀开口，因此伺服阀的导控级内泄漏量主要是由于油　

液由高压小孔通过阀芯和阀套之间的间隙泄漏到伺服　

螺旋槽、再由伺服螺旋槽通过阀芯和阀套之间的间隙　

泄漏到低压ｔＪ，￣Ｌ所产生的。由于导阀阀芯阀套之间的　

间隙很小，因此，假设阀芯阀套间隙间油液呈平行层　

流运动，这样在建立微小宽度流体流经平行缝隙的流　

量的模型基础上，可以在理论上计算出２Ｄ数字伺服　

阀的导控级内泄漏量。　

参见图３，微小宽度ｄＺ油液流经两平行平板的流　

量为　

螺　ｄｑｐ＝ｉ６２３ｃＡ　ｐｄｌ　（４）　

１　￡妊扎　

’　

图３导控级内泄漏　

式中：ｄｑ。为微小宽度ｄＺ油液流经两平行平板的流　

量；　为导阀阀芯和阀套之间的间隙；卸为压差；对高　

压孔，△ｐ＝ｐ∈－ｐ　；对低压孔，卸：ｐ。；Ｃ。为流量修正系　

数；　为动力黏度；　。为从螺旋槽到低（高）压小孔的　

距离。再根据图３所示的几何关系可得式（５）和式（６）；　

Ｚ＝／＇ｄｓｉｎｙ　（５）　

１＝ｈ０＋ｒｄ（１一ｃｏｓＴ）　（６）　

式中：　为低（高）压小孔半径；　为微小宽度ｄ２油液　

所处的角度位置；ｈ。为螺旋槽到低（高）压小孔的间　

隙。这是因为考虑到实际加工出来的阀总存在一定的　

微小间隙。对式（５）求导可得：　

ｄｌ＝ＦｄｃｏｓＴｄ　（７）　

把式（６）、（７）代人式（４）并积分可得２Ｄ伺服阀导控　

级内泄漏量：　

。△　１Ｔ。６３△ｐ　ｈ０＋ｒｄ　／ｈｏ＋２ｒｄ　九＝一　＝　＿十一——＝＝＝＝二二二＝二＝二ａｒｃｔａｎｔ／　ｆ——　—～　ｐ　１２ｃ　。３Ｃｄｚ　ｏ　

（８）　式中：ｑ。为２Ｄ数字伺服阀导控级内泄漏量。　

３实验研究　

试验系统如图４所示。在该试验系统中采用液压　７４　液压与气动　２０１０年第７期　

单向缸作为被试阀的执行元件；采用激光位移传感器　

（ＫＥＹＥＮＣＥ　ＬＫ　Ｇ１０）作阀芯位移检测元件，该位移信　

号可通过示波器（Ａｇｉｌｅｎｔ　ＤＳＯ６０１４Ａ）进行试验测试数　

据记录。系统压力及被试阀进、出口压力由Ｐ、Ｔ口压　

力表读出。将ＰＣ作为数字信号发生器，并通过其并　

口向被测试数字伺服阀的控制器发送控制脉冲信号，　

实现步进电机（ＦＬ２８ＳＴＨ３２－０６７４Ａ—Ｈ２５）的转动，从而　

控制阀芯位移。传感器记录下的数据为将位移变化值　

转化的电压信号，然后传送到示波器中实时显示波形，　

根据试验需要，将所测得的数据保存在ＵＳＢ存储卡　

中，以便在计算机中进行数据处理分析。　

图４阀性能试验图　

３．１　内泄漏测试　

Ｐ—Ａ通和Ａ—Ｔ通是２Ｄ数字伺服阀常用的工作　

位置，所以对其进行内泄漏量测量。实验所用样阀的　

设计流量在７　ＭＰａ压差下是６０　Ｌ／ｍｉｎ。内泄漏量的测　

量是用刻度杯和秒表测得，如图５所示。为避免２Ｄ　

伺服阀Ａ口的油液流向Ｔ口，并且Ａ口被关断，用压　

力表堵上，Ｔ口接量筒测量泄漏量。在试验图上关闭　

节流阀，关闭截止阀，把被试阀供油压力调至额定压力　

２８　ＭＰａ，通过阀控制器使阀处于Ｐ＿－Ａ通和Ａ—Ｔ通两　

工作位置。用量筒分别记录来上两工作位置的泄漏　

量。实验对６套２Ｄ伺服阀进行了内泄漏测量，其值　

如表１所示。实验结果表明，在工作压力２８　ＭＰａ下，　

２Ｄ数字伺服阀的内泄漏都在０．４０　Ｌ／ｍｉｎ以内。将其　

与国外生产的电液伺服阀的内泄漏量（相同的额定流　

图５内泄漏试验　表１实测内泄漏量　

阀号　１＃　２＃　３＃　４＃　５撑　６撑　

Ｐ—Ａ状态内泄漏　０．２２　０．２Ｏ　０．１４　０．３７　Ｏ．３６　０．４０　量／（Ｌ・ｍｉｎ　）　

Ａ～　状态内泄漏　Ｏ．２０　０．１６　０．１０　０．３０　０．３４　０．３０　量／（Ｌ・ｍｉｎ　）　

量６０　Ｌ／ｍｉｎ，相同的工作压力２８　ＭＰａ）进行比较如表２　

所示。这表明２Ｄ数字伺服阀具有较小的内泄漏和功　

率损失。　

表２　２Ｄ阀与国外伺服阀泄漏量对照表　

本文２Ｄ数　产品型号　Ｍ００Ｇ　３４　Ａｂｅｘ４２０　字伺服阀　

基本工作　双喷嘴挡　射流管式　阀芯双自　原理　板力反馈　力反馈　由度反馈　

内泄漏　＜０．６　（Ｌ・ｍｉｎ　）　－４－３％ｑ　＜３．８　＜０．４　

３．２　阀的动态性能实验　

打开节流阀，关闭截止阀，把被试阀供油压力调至　

额定压力２８　ＭＰａ。使步进电机以步进的方式动作８　

步，用示波器记录下该过程中阀芯位移时间响应曲线，　

所测得的阶跃响应曲线如图６所示。６套阀的阶跃响　

应时间表格见表３所示。阶跃响应时间约５　ｍｓ以内，　

ｔ／ｍｓ　

图６阶跃响应曲线　

表３阀的阶跃响应时间表　

阀号　响应时间／ｍｓ　阀芯位移／ｍｍ　

１　３．５２　１．６４４５　

２　４．００　１．５６６４　

３　４．０ｌ　１．２６７６　

４　４．２Ｏ　１．４８７３　

５　３．２０　１．４８８３　

６　４．００　

１．４７２６

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电液伺服比例阀动态响应仿真分析

电液伺服比例阀动态响应仿真分析

课题一、D665型先导式大流量电液伺服比例阀动态响应仿真分析

一、研究目的

采用AMESim软件仿真分析手段，通过本课题的完成，使学生对液压滑阀及电液伺服阀的相关理论进行更为深入的学习，重点掌握以下知识点：

1) 滑阀受力分析；

2) 两级先导式大流量电液伺服阀的工作原理；

3) 两级先导式大流量电液伺服阀的动态响应分析(时域分析、频域分析)；

4) 简要总结得出影响伺服阀动态特性的因素。

二、设计参数

序号 参 数 项 参 数 值 单 位 备 注

1 开口型式 零开口

2 主阀芯行程 ±6 mm

3 主阀芯驱动面积 33.2 cm2 标准阀芯

4 主阀芯型式 圆形

5 主阀芯长度 74 mm

6 先导阀 D631伺服阀 MOOG

7 阀芯材料 0Cr17Ni4Cu4Nb

8 流量系数Cd 0.61

9 速度系数Cv 0.98

10 油液密度 850 Kg/m3

11 油液粘度 32 mm2/s

12 工作温度 40 ℃

13 额定流量 1000 L/min

14 工作压力 31.5 MPa

15 反馈环节型式 5 ms 位移电反馈

三、设计要求及完成过程

本课题研究内容如下：

1) D665型先导式大流量电液伺服比例阀功率级滑阀受力分析计算；

2) 建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀的数学模型；

3) 采用AMESim软件建立D665型先导式大流量电液伺服比例阀仿真模型；

4) 得出该阀的时间响应曲线和频率响应曲线，得出阀的频宽。

课题研究过程如下：

1) 每人结合自己的研究过程，提交课题一份研究报告，研究报告不得雷同； 2) 报告完成后，组长组织成员对所有报告进行评议，并打分；

3) 导师对每名学生的研究报告进行品议，并打分；

4) 一份汇总研究报告和汇报PPT，完成后，向答辩委员会提交申请；

5) 组织答辩，并打分。

四、提交形式

1) 个人研究报告；

顺序阀设计说明书

顺序阀设计说明书

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

顺序阀的设计及制造

摘要：液压传动是一种传输模式，在一个封闭的系统中，通过使用加压液体的传输模式来传输运动和功率。中压力液体，包括液压油和其它合成液，具有高功率、稳定运动的特点。但由于液压系统的粘度，在流阻损失的过程中，不应该进行远距离传输和控制。

顺序阀是用2个或多个支路系统，根据电路的压力来控制阀元件动作顺序的执行。阀门的基本功能是为了控制多个执行元件的动作顺序，根据其功能的不同，有顺序阀、背压阀、卸荷阀和平衡阀。本论文主要是根据设计任务要求和实际使用要求，设计单向顺序阀；设计内容包括顺序阀的总体结构的设计、对顺序阀的动态特性和静态特性进行分析、设计顺序阀的零部件的结构尺寸、选择零部件的材料和进行工艺分析、对顺顺序阀的其他特性进行计算校核；利用Autocad、UG软件绘制顺序阀的零件图和装配图。

关键词：液压传动； 力控制； 单向顺序阀； 特性计算

西南科技大学城市学院本科生毕业论文

Sequence Valves Design and Manufacture

Abstract: Hydraulic transmission is a transmission mode in a closed system, by using a

pressurized liquid transfer mode to transmit motion and power. Pressure in fluids,

including hydraulic oils and other synthetic fluids, has the characteristics of high power,

stability. However, due to the viscosity of the hydraulic system, in flow resistance loss in

电液伺服阀静态特性试验台液压系统设计开题报告2word1

电液伺服阀静态特性试验台液压系统设计开题报告2word1

- 1 - 电液伺服阀静态特性实验台液压系统设计

一、本课题的项目背景及研究意义

电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服控制元件，它能将微弱的电信号转换成大功率的液压信号（流量和压力）。用它作转换元件组成的闭环系统称为电液伺服系统。电液伺服系统用电信号作为控制信号和反馈信号，灵活、快速、方便；用液压元件作执行机构，重量轻、惯量小、响应快、精度高。对整个系统来说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统中的液压执行机构来说，电液伺服阀是控制元件；阀本身也是个多级放大的闭环电液伺服系统，提高了伺服阀的控制性能。因此其性能直接决定和制约着整个电液伺服控制系统的控制精度、响应特性、工作可靠性及寿命。电液伺服系统是液压伺服系统和电子技术相结合的产物，由于它具有更快的响应速度，更高的控制精度，在军事、航空、航天、机床等领域中得到广泛的应用。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统己经成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面，应用十分广泛。

按照国家有关规定，电液伺服阀出厂或维修以后必须进行性能测试和参数调节，以检验它的质量好坏。伺服阀用量大的使用单位或重要使用场合，用户应设有伺服阀试验台，以便对新阀性能进行复检，并对使用中的伺服阎定期复检或比较试验。

目前，电液伺服阀性能测试试验台主要有两种类型：一种是传统的手工测试、记录类型；另一种是计算机辅助测试(ComputerAided Test简称CAT)类型。传统手工测试系统利用按钮、信号发生器、记录仪、示波器等来实现，测试成本高、结构复杂，测试时受人为因素影响大，测试精度低。随着信号处理技术和计算机技术的发展，出现了一种新型的测试系统，即CAT系统，是建立一套计算机数据采集和数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、流量、转速、温度等参数进行数据采集、量化和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算机还可以根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而高速、高精度地完成对液压产品的性能测试。

基于单神经元的高压气动阀阀芯位置伺服控制研究

基于单神经元的高压气动阀阀芯位置伺服控制研究

第１４卷　２０１４住　第２期　２月　中　国水运　Ｃｈ　ｉ　ｎａ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｖｏ１．１４　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　Ｎｏ　２　２０１４　

基于单神经元的高压气动阀阀芯位置伺服控制研究　

杜经民，肖海金，高隆隆　

（华中科技大学ＦＥＳＴ０气动技术中心，湖北武汉４３００７４）　

摘要：某高压大流量气动阀采用两级控制策略，先导级为高压电一气伺服阀，功率级为大流量气控滑阀。针对功率　

级滑阀阀芯位置控制性能受气源压力、摩擦力等非线性因素影响较大的特点，采用单神经元自适应控制器实现对功　

率级阀芯位置的高精度控制，对其控制特性进行仿真研究。仿真结果表明，该控制策略具有较好的鲁棒性，快速跟　

踪性和控制精度，为进一步研究高压大流量气动阀奠定良好基础。　关键词：高压气动阀；位置伺服控制；单神经元；自适应控制　中图分类号：ＴＨ１３８　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—７９７３（２０１４）０２—０１５７—０３　

引言　本文所研究的某高压大流量气动阀用作某大惯量负载的　

运动控制，采用两级控制策略，先导级是高压电一气伺服阀，　功率级是大流量气控滑阀。因该气动阀具有通径大、工作压力　

高等特点，系统呈现较强的非线性，阀芯受力情况非线性显著，　

使得对功率级阀芯位置非线性控制策略的研究十分重要。　当前对于气动位置伺服控制策略方面的研究，多集中在　

低压系统。陈奎生＿ｌ】等在阀的输入压力为１ＭＰａ的情况下对　

气动位置伺服系统提出了一种ＮＮ—ＩＭＣ的控制算法，吴金波　１２］等在工作压力为１ＭＰａ时对气缸位置控制提出了用基于ＢＰ　

神经网络的白适应ＰＩＤ控制策略，赵弘＿３　等在气源压力为　

０．６ＭＰａ时提出基于压力反馈线性化、摩擦力补偿的内外双　环型控制算法，薛阳ｌ４】等在气源压力为０．７ＭＰａ时提出采用　

一种非对称模糊ＰＩＤ控制控制气缸位置，Ｃａｏ　Ｊｕｎｙｉ＿５　等在　

气源压力为０．６ＭＰａ提出采用一种新的分数阶ＰＩ控制器进行　

气动位置伺服控制。　目前对高压气动位置伺服控制系统控制策略的研究较