级间液压-机械双反馈新原理及其在大流量控制阀中的应用研究

摘要

液压传动系统广泛用于各类机电装备，而液压阀是液压系统中用于控制液体的压力、流量和方向的核心元件，对液压系统的性能、可靠性和经济性有重要影响。流量阀通过改变节流阀口的开度来来调节通过流量，进而控制负载装备的运动速度，是三大类液压阀之一。多级流量阀以各种级间反馈方式实现先导阀芯对主阀芯的位移控制，进而通过主阀芯上的主阀口完成对流量的调节，用于实现更大的流量控制等级。常见的级间反馈控制方式有液压反馈、机械反馈、液压跟随以及电反馈四种。随着流量阀在可靠性、泄漏性、启闭动态特性以及负载适应性等方面的需求日益提高，探索级间多反馈原理，综合利用上述各反馈方式的优点，克服单一反馈方式在可靠性、阀芯位移控制精度或响应速度等方面的局限性，对于高性能流量阀研究势在必行。本文针对流量阀级间双反馈新原理及应用展开研究，选题具有重要的学术研究价值和很强的工程应用前景。
　　现有单反馈原理以单一反馈方式将主阀芯位移转化为控制腔压力升高或先导阀芯受力增大，进而实现对主阀芯位移的比例控制。转化为控制腔压力升高的方式可靠性及稳定性好，而转化为先导阀芯受力增大的方式精度高且快速性好。本文提出了级间液压-机械双反馈新原理，该原理通过液压和机械两路反馈的共同作用将主阀芯位移同时转化为控制腔压力升高和先导阀芯受力增大，双反馈方式作用互补，在继承了液压和机械反馈方式的上述优点外，两种反馈方式的共同作用还使双反馈原理液压阀具备了结构简单、密封数量少、控制区间宽度大等额外优点。该原理可用于单向/双向比例节流阀、调速阀以及负载控制阀等流量阀中。本文提出了双反馈原理液压阀主阀芯上的带通油孔的减振尾结构，该结构可通过液流冲击作用抵消开启方向的液动力，进而改变阀芯液动力的方向，同时降低各阀口开度下的液动力幅值。在仿真与试验中，主阀芯所受液动力在减振尾的补偿作用下由开启方向转变为关闭方向，且液动力幅值与无减振尾相比分别减小88.3％和87.5％，增加了主阀芯的稳定性并基本消除了液动力对主阀芯位移控制精度的影响。
　　本文创新设计了先导阀芯尾部的快关阀口结构，快关阀口在先导阀芯关闭至一定开度时打开并直接连通负载口与控制腔，加快控制腔压力的飞升过程，增大先导阀芯和主阀芯所受关闭力，提高两阀芯的关闭速度。研究表明，快关阀口的引入可使主阀芯关闭时间缩短22％。
　　在此基础上，本文创新研制了基于级间液压-机械双反馈原理的大流量负载控制阀。样机在汽车起重机变幅系统中的应用试验结果表明，与目前市场上的主流负载控制阀相比，控制区间宽度增加11％，在高负载压力下的控制压力滞回减小60％，开启时间减小58％，关闭时间减小17％。
　　本学位论文基本结构如下:
　　第一章，首先对流量阀中的级间反馈方式进行了分类和介绍，并分析了各种反馈方式的优缺点。其次介绍了特殊流量阀——负载控制阀的功能特点和研究现状。最后，提出了课题研究的技术路线和主要研究内容。
　　第二章，首先介绍了级间液压和机械双反馈的原理并分析了该原理的特性，比较了双反馈原理与液压及机械单反馈原理的优缺点。其次详细介绍可在双反馈原理基础上叠加的负载压力适应性及快速关闭特性等各种附加功能和特性。最后，介绍了双反馈原理在单向/双向比例节流阀、比例流量阀以及负载控制阀等领域的应用。
　　第三章，首先分析了双反馈原理液压阀的阀芯位移精确比例控制和负载适应性产生的机理，揭示相关参数对上述特性的影响规律，以此总结了阀芯位移精确比例控制和负载适应性产生和参数设计的逻辑。基于以上分析，利用Matlab/Simulink建立了直接基于各异形阀口参数的双反馈原理液压阀静态控制特性仿真模型，对阀芯位移控制和负载适应性进行了精确定量研究。最后，搭建了双反馈原理液压阀阀芯特性试验台，通过试验验证了理论分析与仿真研究的准确性。
　　第四章，首先介绍液压阀中对液流相关作用力的定义和研究工具与方法。其次，对无减振尾主阀芯在各开度、各流量下所受液动力情况进行了CFD仿真。再次，对两个重要的参数，即减振尾直径和减振尾连杆长度对液流作用力的影响规律进行了深入仿真研究，并得到了能够获得最大关闭方向液流作用力尺寸组合。在以上尺寸组合基础上，通过仿真研究了在减振尾上打通油孔的方法在减小液流作用力幅值方面作用，并得出了能够使主阀芯获得幅值最小的关闭方向液流作用力的通油孔尺寸。最后搭建了阀芯液流作用力测试平台，验证了以上研究结论的正确性。
　　第五章，首先建立了双反馈原理液压阀运动部件、动态容腔以及各节流口等关键环节的动态方程。其次，对上述动态方程在不同工作点进行了线性化并以此建立了双反馈原理液压阀的状态空间模型。在状态空间模型基础上，研究了该阀在不同工作点的稳定性与动态响应特性，并利用根轨迹方法研究了关键参数对稳定性和动态响应特性的影响规律。再次，依据动态方程建立了基于Matlab S函数的动态特性仿真模型，对不同工况下的启闭特性以及不同先导控制油路形式对阀启闭特性的影响等进行了系统研究。最后，利用阀芯特性试验台对双反馈原理液压阀的动态特性进行试验研究，验证了相关研究结论的正确性。
　　第六章，首先介绍了负载控制阀的典型应用和这些应用中对负载控制阀的特性要求，其次分析了双反馈原理在负载控制阀中的适用性并提出了双反馈原理负载控制阀(DFPLCV)的结构。在以上基础上，针对主阀芯-主阀套、先导阀芯-先导阀套两对最为核心的关键元件的结构及其上的关键阀口进行了结构设计和参数设计，并对各阀芯-阀套配合的结构强度和密封效果进行了有限元校核。此外，本章还针对控制活塞、端盖以及整个DFPLCV中的密封位置和形式等进行了设计。最后，对关系整阀性能和安全的主阀体结构强度、先导阀体结构强度以及主阀体-先导阀体联接的强度进行了校核。
　　第七章，利用第3-5章关于双反馈原理液压阀的研究结论和第6章关于DFPLCV的相关设计计算结果进行了两代样机试制，并为了测试DFPLCV特性而搭建了二级大流量负载控制阀试验台。台架试验结果验证了样机单向导通特性、比例流量控制特性、负载补偿特性、快速开启/关闭特性等各项性能满足设计和应用要求，验证了双反馈原理和上文研究结论的正确性。在台架试验验证无误后，将DFPLCV安装在典型应用汽车起重机变幅系统上进行了实车试验，通过对实车试验数据的分析和与同类产品的性能的对比，验证了双反馈原理的先进性和应用前景。
　　第八章，总结了本学位论文的主要研究结论，归纳了研究的创新点，并对今后的研究工作进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

缩写、符号清单、术语表

1 绪论

1．1 研究背景与国家需求

1．2 流量阀级间控制方式研究现状

1．2．1 机械反馈方式在流量阀中的应用

1．2．2 液压反馈方式在流量阀中的应用

1．3 负载控制阀技术现状

1．3．1 直动式负载控制阀

1．3．2 先导式负载控制阀

1．4 研究内容

1．5 本章小结

2 级间液压-机械双反馈原理提出与特性分析

2．1 级间双反馈原理

2．2 双反馈原理特性分析

2．2．1 双反馈原理与单反馈原理的对比

2．2．2 双反馈原理附加功能特性分析

2．3 双反馈原理的应用

2．3．1 单向／双向比例节流阀

2．3．2 调速阀

2．3．3 负载控制阀

2．4 本章小结

3 阀芯位移精确控制与负载适应性研究

3．1 平衡状态下部件受力平衡与桥路液阻关系分析

3．1．1 稳态受力平衡关系建立

3．1．2 稳态液压桥路关系计算

3．2 主阀芯位移控制特性分析

3．3 负载适应性分析

3．4 静态控制特性建模

3．4．1 先导组件位移计算

3．4．2 先导阀口过流面积计算

3．4．3 主阀芯位移计算子系统

3．4．4 液动力查表子系统

3．4．5 面积比计算子系统

3．4．6 主流量计算子系统

3．4．7 其他子系统

3．5 阀芯位移控制与负载压力适应性仿真

3．5．1 阀芯位移控制特性仿真分析

3．5．2 负载压力适应性仿真分析

3．6 阀芯静动态特性测试试验台研制

3．6．1 液压系统设计及元件选型

3．6．2 电控及数据采集系统设计与实现

3．7 阀芯位移控制与负载适应性试验验证

3．7．1 阀芯位移控制特性试验验证

3．7．2 负载适应性试验验证

3．8 本章小结

4 大流量锥滑阀液动力特性与补偿

4．1 现状分析与补偿方案

4．1．1 现状分析

4．1．2 补偿方案

4．2 软件及计算模型

4．2．1 CFD软件ANSYS／Fluent

4．2．2 计算模型选择

4．3 网格划分与边界定义

4．4 无减振尾主阀芯的液动力仿真

4．5 减振尾关键参数仿真优化

4．5．1 最优减振尾直径的仿真研究

4．5．2 最优连杆长度的仿真研究

4．5．3 最优连杆长度下对最优直径的验证

4．5．4 带孔减振尾尺寸的仿真优化

4．6 液动力测试试验台研制

4．7 液动力及减振尾参数优化试验验证

4．8 本章小结

5 阀芯动力学稳定性与启闭特性研究

5．1 关键环节动力学建模

5．1．1 运动件受力分析和动力学方程

5．1．2 容腔-节流口阻尼网络分析和动力学方程

5．2 状态空间建模

5．2．1 动力学方程线性化

5．2．2 状态空间模型

5．3 阀芯动态稳定性分析与优化

5．3．1 典型工况分类与稳定性判断

5．3．2 关键参数的根轨迹分析与稳定性优化

5．4 整阀动力学建模

5．4．1 总体建模愚路

5．4．2 运动部件S函数子模型搭建

5．4．3 容腔和节流口子系统模型搭建

5．4．4 整阀动态模型搭建

5．5 动态特性仿真分析与优化

5．5．1 不同工况下的启闭特性

5．5．2 补偿阻尼对开启过程的影响

5．5．3 快关阀口对关闭过程的影响

5．5．4 先导控制油路特性研究

5．6 动态特性试验验证

5．7 本章小结

6 基于双反馈原理的大流量负载控制阀设计

6．1 大流量负载控制阀性能需求

6．2 双反馈原理适用性分析

6．3 设计指标

6．4 主阀芯设计

6．4．1 主阀芯各压力作用面积计算

6．4．2 主阀芯的“软限位”与“硬限位”设计

6．4．3 主阀芯-主阀套的密封设计与校核

6．5 先导阀芯设计

6．5．1 快关阀口参数设计

6．5．2 先导阀芯-先导阀套密封与强度校核

6．6 其他结构设计

6．6．1 控制活塞设计

6．6．2 端盖设计

6．6．3 整阀密封设计

6．7 重要结构强度校核

6．7．1 主阀体结构强度校核

6．7．2 先导阀体结构强度校核

6．7．3 主阀体-先导阀体连接强度校核

6．8 本章小结

7 双反馈原理负载控制阀型式试验与实车验证

7．1 样机试制

7．2 大流量负载控制阀试验台研制

7．2．1 液压系统设计及元件选型

7．2．2 电控及数据采集系统设计与实现

7．3 型式试验与分析

7．3．1 单向阀特性

7．3．2 流量控制特性

7．3．3 快速开启／关闭响应特性

7．3．4 负载补偿特性

7．4 实车试验与性能验证

7．4．1 实车测试原理

7．4．2 中联重科实车试验结果与对比

7．4．3 徐工集团实车试验结果

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 主要研究结论

8．2 创新点

8．3 工作展望

参考文献

附录

作者简历

科研成果