CN109306979A - 一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，首先将给定的执行机构位移序列转化为机液节流控制阀阀芯的位移序列，然后采用数值微分求解执行机构加速度信号，建立执行机构的动力学方程；将执行机构的动力学方程与液压系统支配方程联立，求解阀芯进出口处压力数据序列；计算阀芯流量；通过阀芯的流量与进出口处压力数据序列计算阀芯面积序列，再根据阀芯位移序列得到阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线；最后根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线设计节流控制阀芯径向节流孔几何形状。本发明组成精简，环节少，系统可靠性高，电气系统失效后仍能正常工作，能够适用更宽的高低温使用环境。

Description

一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，属于 液压元件设计领域。

背景技术

液压执行机构通常要按照规划好的位移速度关系完成动作，如在行程末端 做均减速运动以保证平稳到位停止，在运动轨迹上某点附近平稳减速，在该点 外高速运动等。以往多采用电液控制系统实现这些特定的位移速度控制。电液 控制系统具有灵活可配置的突出优点，但因其软硬件控制系统组成复杂、环节 多，对电气系统依赖性高，适应高低温极端环境性能差等问题，在如下几种应 用场合下难以满足使用要求或实现成本过高：(1)系统可靠性高、组成精简， 环节少且对行程速度控制要求较高；(2)对电气系统依赖程度低，电气系统失 效后仍能正常工作；(3)使用环境苛刻，在高低温环境下均能可靠工作。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于机构位移 速度规划的机液节流控制阀设计方法。

本发明的技术解决方案是：

一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，包括如下步骤：

(1)根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式，据此将给定的执 行机构位移序列{x_i}转化为机液节流控制阀阀芯的位移序列{y_i}，i为执行机构 和阀芯运动过程中的一个取样点，i＝1,2,...,n，n为大于1的自然数，n为取样点 总数；

(2)通过数值插值细化给定的执行机构位移速度规划数据或执行机构与液 压系统控制流量关系，并采用数值微分求解执行机构加速度信号，建立执行机 构的动力学方程；

(3)将执行机构的动力学方程与液压系统支配方程联立，求解阀芯进出口 处压力数据序列；

(4)如果给定位移速度规划数据，则根据执行机构的位移速度规划数据， 计算阀芯流量；如果未给定位移速度规划数据，则根据执行机构与液压系统控 制流量关系，计算阀芯流量；

(5)通过阀芯的流量与进出口处压力数据序列计算阀芯面积序列，再根据 阀芯位移序列得到阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线；

(6)根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线设计机液节流控制阀芯径向 节流孔几何形状。

所述步骤(1)中，根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式的方 式如下表所示：

序号	执行机构运动形式	阀芯运动形式	转化机构
				1	直线	直线	连杆、凸轮顶杆、滑轮
2	直线	转动	齿轮齿条、连杆
				3	摆动	直线	凸轮顶杆、齿轮齿条
4	摆动	转动	蜗轮蜗杆、齿轮组

所述步骤(2)中，如果给定的是执行机构位移速度规划数据，则获得执行 机构加速度信号的方法如下：

(3.1)根据已知的执行机构位移速度规划数据及执行机构的几何关系，推 导被控对象的速度序列和位移序列；

(3.2)根据被控对象的速度序列和位移序列求解运动的时间间隔序列，再 通过数值微分计算被控对象的加速度信号序列。

所述步骤(2)中，如果给定的是执行机构与液压系统控制流量关系，则获 得执行机构加速度信号的方法如下：

(4.1)根据执行机构与液压系统控制流量关系获得位移速度规划数据，根 据位移速度规划数据以及执行机构的几何关系，推导被控对象的速度序列和位 移序列；

(4.2)根据被控对象的速度序列和位移序列求解运动的时间间隔序列，再 通过数值微分计算被控对象的加速度信号。

所述步骤(3)中，液压系统支配方程建立过程如下：

通过试验获得系统中流经各液压元件流量与进出口压力的数据；

采用数值拟合的方法获得各液压元件流量与进出口压力函数关系，联立后 得到液压系统支配方程。

所述数值拟合方法为多项式拟合或多项式分段拟合，在分段拟合时通过调 节常数项保证拟合函数在分段点的连续性，防止出现跳变。

求解阀芯进出口处压力数据的方法如下：

采用执行机构初始位置处的已知状态作为求解初值，计算阀芯进出口处的 第一个取样点时的压力数据；

以第一个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进出口处的第二个取样点 时的压力数据，依次类推，以第i个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进 出口处的第i+1个取样点的压力数据，从而获得阀芯进出口处各取样点的压力 数据，所述各取样点的压力数据即为阀芯运动过程中对应的压力数据序列。

所述步骤(5)中，第i个取样点处阀芯面积

其中，Q_i为第i个取样点处通过阀芯的流量；

C为流量系数；

ΔP_i为第i个取样点处阀芯进出口压降。

ΔP_i＝P_1i-P_2i，P_1i为油液进入阀芯节流口的压力，P_2i油液流出阀芯节流口的压力。

所述步骤(6)的实现方式如下：

根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线拟合出面积公式，根据面积公式 确定节流控制阀芯几何形状，确定方法如下：

如果面积A＝C-ax，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯形状为矩 形，且矩形的宽为a；

如果面积A＝(b-x)²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯形状 为正置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向的锐角夹角为ξ；

如果面积A＝b²tanξ-x²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯 形状为倒置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向的锐角夹 角为ξ。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有技术多采用电液控制系统实现执行机构位移速度规划控制， 系统组成复杂，包含传感器、控制系统、供配电系统、电液控制阀及电缆网等 众多组成部分，而本发明通过对阀芯节流口及位移转换机构的设计，可通过纯 液压回路实现执行机构位移速度规划，组成精简，环节少，系统可靠性高。相 比同等复杂程度的电控系统具有更高的形成速度控制精度。

(2)现有电液控制系统对电气系统依赖程度低，系统供电、传感反馈 或控制电路部分出现故障均可影响系统正常工作，而本发明采用纯液压回路， 电气系统未直接参与执行机构控制，电气系统失效后仍能正常工作。

(3)现有电液控制系统中的电气元件受使用环境温度限制，在高低温 等苛刻使用环境下系统性能受到显著影响，甚至不能正常工作，而本发明采用 纯液压回路，能够适用更宽的高低温使用环境。

附图说明

图1为一种机液节流控制阀控制阀结构示意图；

图2为本发明的流程图；

图3为为阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线对应的节流控制阀芯几何形 状示例。

具体实施方式

针对电液控制系统的局限问题，可采用纯机液结构控制阀实现位移速度控 制，降低系统复杂程度，提高可靠性。

本发明提出一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，根据 规划的执行机构位移速度关系，给出相应的控制阀件计算与设计方法。一种典 型的机液节流控制阀结构示意如图1所示。机液节流控制阀的设计流程如图2 所示。

具体步骤如下：

(1)根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式，据此将给定的执 行机构位移序列{x_i}(i＝1,2...n)转化为机液节流控制阀阀芯的位移序列 {y_i}(i＝1,2...n)，i为执行机构和阀芯运动过程中的一个取样点，i＝1,2,...,n，n为 大于1的自然数，n为取样点总数。

常见执行机构运动形式包括摆动，旋转及直线运动等，常见的阀芯形式为 直线运动的滑阀，转动的球阀或蝶阀等，位移转化涉及旋转运动与直线运动的 单纯转化或相互转化。根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式的方 式如表1所示。

表1执行机构与阀芯位移信号转化示例

序号	执行机构运动形式	阀芯运动形式	转化机构
				1	直线	直线	连杆、凸轮顶杆、滑轮
2	直线	转动	齿轮齿条、连杆
				3	摆动	直线	凸轮顶杆、齿轮齿条
4	摆动	转动	蜗轮蜗杆、齿轮组

齿轮类机构(齿轮齿条、蜗轮蜗杆、齿轮组)通过传动比换算即可得到位 移关系，连杆类机构(连杆)通过求解三角关系获得位移关系，凸轮机构(凸 轮顶杆)可通过对凸轮曲线的设计获得想要的位移转化关系。

(2)通过数值插值细化给定的执行机构位移速度规划数据或执行机构与液 压系统控制流量关系，并采用数值微分求解执行机构加速度信号，建立执行机 构的动力学方程。

获得执行机构加速度信号的方法：

(2.1)根据已知的执行机构位移速度规划数据v_i＝f(x_i)(i＝1,2...n)或根据执行机构与液压系统控制流量关系Q_i＝g(x_i)(i＝1,2...n)获得位移速度规划数据，以 及执行机构的几何关系，推导被控对象(惯量负载)的速度序列{v_i}(i＝1,2...n)和 位移序列{x_i′}(i＝1,2...n)；

(2.2)根据被控对象的速度序列{v_i}(i＝1,2...n)和位移序列{x_i′}(i＝1,2...n)求解 运动的时间间隔序列{t_i}(i＝1,2...n)，再通过数值微分计算被控对象的加速度信号 {a_i}(i＝1,2...n)。

(3)将执行机构的动力学方程与液压系统支配方程联立，求解阀芯进口处 压力数据序列{P_1i}(i＝1,2...n)及阀芯出口处压力数据序列{P_2i}(i＝1,2...n)。

液压系统支配方程建立过程如下：

通过试验获得系统中流经各液压元件流量与进出口压力的数据；

采用数值拟合的方法获得各液压元件流量与进出口压力函数关系，联立后 得到液压系统支配方程。

所述数值拟合方法为多项式拟合或多项式分段拟合，在分段拟合时通过调 节常数项保证拟合函数在分段点的连续性，防止出现跳变。

求解阀芯进出口处压力数据的方法如下：

采用执行机构初始位置处的已知状态作为求解初值，计算阀芯进出口处的 第一个取样点时的压力数据；

以第一个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进出口处的第二个取样点 时的压力数据，依次类推，以第i个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进 出口处的第i+1个取样点的压力数据，从而获得阀芯进出口处各取样点的压力 数据，所述各取样点的压力数据即为阀芯运动过程中对应的压力数据序列。

(4)如果给定位移速度规划数据，则根据执行机构的位移速度规划数据， 计算阀芯流量；如果未给定位移速度规划数据，则根据执行机构与液压系统控 制流量关系，计算阀芯流量。

(5)通过阀芯的流量与进出口处压力数据序列计算阀芯面积序列，再根据 阀芯位移序列得到阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线。

第i个取样点处阀芯面积

其中，Q_i为第i个取样点处通过阀芯的流量；

C为流量系数，初始计算时，可取0.65；

ΔP_i为第i个取样点处阀芯进出口压降。ΔP_i＝P_1i-P_2i，P_1i为油液进入阀芯节流 口的压力，P_2i油液流出阀芯节流口的压力。

(6)根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线设计机液节流控制阀芯径向 节流孔几何形状。

为实现理论计算面积关系并减小液动力影响，采用径向孔节流控制阀芯， 为便于加工，径向节流孔采用矩形、三角形等几何形状及其组合的结构形式。 根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线拟合出面积公式，根据面积公式确定 节流控制阀芯径向节流孔几何形状，确定方法如下：

如果面积A＝S-ax，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀芯径向节流孔 形状为矩形，且矩形的宽为a。

如果面积A＝(b-x)²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀芯径向节 流孔形状为正置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向的锐 角夹角为ξ；

如果面积A＝b²tanξ-x²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀芯径 向节流孔形状为倒置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向 的锐角夹角为ξ。

具体对应关系如表2所示。

表2变化关系曲线与节流控制阀芯几何形状的对应关系

矩形节流控制阀芯对应于节流面积随阀芯位移的均匀减小，面积变化曲线 为直线。三角形节流孔对应节流面积随阀芯位移平方减小，正置三角形面积减 小速度快于矩形槽。倒置三角形减小速度慢于矩形槽，面积曲线均为抛物线。

如图3所示为阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线对应的节流控制阀芯几 何形状示例。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式，据此将给定的执行机构位移序列{x_i}转化为机液节流控制阀阀芯的位移序列{y_i}，i为执行机构和阀芯运动过程中的一个取样点，i＝1,2,...,n，n为大于1的自然数，n为取样点总数；

(2)通过数值插值细化给定的执行机构位移速度规划数据或执行机构与液压系统控制流量关系，并采用数值微分求解执行机构加速度信号，建立执行机构的动力学方程；

(3)将执行机构的动力学方程与液压系统支配方程联立，求解阀芯进出口处压力数据序列；

(4)如果给定位移速度规划数据，则根据执行机构的位移速度规划数据，计算阀芯流量；如果未给定位移速度规划数据，则根据执行机构与液压系统控制流量关系，计算阀芯流量；

(5)通过阀芯的流量与进出口处压力数据序列计算阀芯面积序列，再根据阀芯位移序列得到阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线；

(6)根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线设计机液节流控制阀芯径向节流孔几何形状。

2.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据执行机构和阀芯的运动形式确定转化机构形式的方式如下表所示：

3.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，如果给定的是执行机构位移速度规划数据，则获得执行机构加速度信号的方法如下：

(3.1)根据已知的执行机构位移速度规划数据及执行机构的几何关系，推导被控对象的速度序列和位移序列；

(3.2)根据被控对象的速度序列和位移序列求解运动的时间间隔序列，再通过数值微分计算被控对象的加速度信号序列。

4.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，如果给定的是执行机构与液压系统控制流量关系，则获得执行机构加速度信号的方法如下：

(4.1)根据执行机构与液压系统控制流量关系获得位移速度规划数据，根据位移速度规划数据以及执行机构的几何关系，推导被控对象的速度序列和位移序列；

(4.2)根据被控对象的速度序列和位移序列求解运动的时间间隔序列，再通过数值微分计算被控对象的加速度信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，液压系统支配方程建立过程如下：

通过试验获得系统中流经各液压元件流量与进出口压力的数据；

采用数值拟合的方法获得各液压元件流量与进出口压力函数关系，联立后得到液压系统支配方程。

6.根据权利要求5所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述数值拟合方法为多项式拟合或多项式分段拟合，在分段拟合时通过调节常数项保证拟合函数在分段点的连续性，防止出现跳变。

7.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，求解阀芯进出口处压力数据的方法如下：

采用执行机构初始位置处的已知状态作为求解初值，计算阀芯进出口处的第一个取样点时的压力数据；

以第一个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进出口处的第二个取样点时的压力数据，依次类推，以第i个取样点时的压力数据为初值，计算阀芯进出口处的第i+1个取样点的压力数据，从而获得阀芯进出口处各取样点的压力数据，所述各取样点的压力数据即为阀芯运动过程中对应的压力数据序列。

8.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，第i个取样点处阀芯面积

其中，Q_i为第i个取样点处通过阀芯的流量；

C为流量系数；

ΔP_i为第i个取样点处阀芯进出口压降。

9.根据权利要求8所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，ΔP_i＝P_1i-P_2i，P_1i为油液进入阀芯节流口的压力，P_2i油液流出阀芯节流口的压力。

10.根据权利要求1所述的一种基于机构位移速度规划的机液节流控制阀设计方法，其特征在于，所述步骤(6)的实现方式如下：

根据阀芯面积随阀芯位移的变化关系曲线拟合出面积公式，根据面积公式确定节流控制阀芯几何形状，确定方法如下：

如果面积A＝C-ax，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯形状为矩形，且矩形的宽为a；

如果面积A＝(b-x)²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯形状为正置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向的锐角夹角为ξ；

如果面积A＝b²tanξ-x²tanξ，则该段变化关系曲线对应的节流控制阀阀芯形状为倒置等腰三角形，且三角形的高为b，三角形的腰与水平方向的锐角夹角为ξ。