电液比例三通溢流型减压阀先导液桥设计
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范围如图 2 所示，即 y 与 hpv 之比 λ 应在 -0.75～ 0.2 间。
1 6 2 0 -.2 -.6 -.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 输入电磁力与其额定值之比
图 2 y 与 hpv 之比 λ 取值范围
y 与 hpv 之比 λ 对所消耗的控制功率关系，如 图 3a 所示，从图中可以发现 y 与 hpv 之比 λ 取下 限值 -0.75 时，所消耗的控制功率为最小。当然，取何 值还要考虑二个因素，即，① 保证先导阀双可变（圆 孔）弓形节流口都不能出现层流；② 出口压力的灵敏 度或称压力增益 ¶pA / ¶y 。
非线性严重[5、10]。图 1 为先导阀孔雷诺数与其直径 hpv 的仿真关系曲线，可变（圆孔）弓形节流口的临界雷诺
数为 196，因此，先导阀孔直径 hpv 的最小值应大于 0.6 mm，考虑安全可靠本设计选取 0.8 mm。
550
R
500
L
400 300
RL
200 100
RL
0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3
y 的取值范围。当 y 正值大到一定程度时，右
阀口开口面积过大，左阀口面积过小，使主阀上腔压 力下降，主阀芯上移，主阀口关闭从而不能正常工作； 与此相反，当 y 负值大到一定程度时，右阀口开口面 积过小，左阀口开口面积过大，使主阀上下腔压力差 下降，主阀芯不能上移，同样阀也不能正常工作。使阀 能正常工作的先导阀芯两节流边距与孔中心距差 y
参考文献： [１] 顾启泰.系统设计与仿真[M]. 北京：清华大学出版社，1995． [２] 谭尹耕.液压实验设备与测试技术[M].北京：北京理工大
学出版社，1997. [３] Lu YongXiang, Yu KaiYuan, Quan Long. Development and
research of new type three-way pilot proportional pressure reducing valve[Ｃ] . International Symposium on FLUID POW-
{ Cd =
ìCd max 当 Re逸Rec 时
í îk
Re 当
Re <
Rec 时
(１)
Hale Waihona Puke Baidu
式中 符号意义如下： 为流量系数； max 为最大流 量系数；Re 为雷诺数；Rec 为临界雷诺数；k 为流量系 数与 Re 间的斜率。 3 先导阀参数设计 3.1 先导阀孔数
收稿日期:2008-01-02 作者简介:姜福祥(1962—),男,江苏淮安人,副教授,高级工程 师，硕士，主要从事计算机测控与仿真工作。
2008 年第 7 期
液压与气动
63
电液比例三通溢流型减压阀先导液桥设计
姜褔祥 1袁郁凯元 2
Pilot Liquid Bridge Design of Electro-hydraulic Proportional Three-way
Pressure Reducing Valve
JIANG Fu-xiang1, YU Kai-yuan2
hpv 一定时，¶pA / ¶Dy = ¶pA / ¶l ，仿真结果显示 ¶pA / ¶l 基本保持不变。
综上分析， y 与 hpv 之比 l 取下限值 -0.75 为最
2008 年第 7 期
液压与气动
65
基于 PLC 的高速列车压力保护阀检测系统的研制
黄东
The Detecting System of Pressure-head Valve for High-speed Railway Based on PLC
（1.淮安信息职业技术学院 江苏省电子产品装备制造工程技术研发中心，江苏 淮安 223003； 2.东南大学 机械工程系, 江苏 南京 210096）
摘 要院建立电液比例三通溢流型减压阀数学模型，应用数值分析仿真结果和样品实验结果一致，数值方法 能有效地解决液压系统的非线性问题，直观地反映参数变化对性能的影响。为准确选取参数，缩短设计周期，降 低研发成本，实现设计目标，提供一种数值分析的设计方法。
关键词：PLC;高速列车；压力保护阀；压力变送器
中图分类号：TP271.32 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2008)07-0065-03
1 引言 高速运行的列车在会车时，尤其是在隧道内会车
时产生活塞效应，车体表面将受到正负数千帕的瞬时 压力变化，压力波动传到车厢内引起室内压力的变 化，旅客会感到不适，严重时还会对身体造成伤害。影 响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力变化的最 大值；二是压力变化率的最大值。
要实现电液比例三通溢流型减压阀[3]的优良性 能：输出 - 输入线性；在各种干扰下，输出保持等值；在 负载流量为零时，工作可靠；控制功耗小；响应速度快 等。先导液桥的设计是关键，本文以数值分析为主，结 合实验验证的方法分析设计先导液桥。 2 设计方法简介
液压系统仿真就是应用数值分析方法求解由连
续方程、力平衡方程、流量方程和动量方程等组成的 非线性方程组[４]。仿真中，流量系数随雷诺数关系按式 (1)简化处理[5]。在编程中注意处理好阀芯位移与压力 的 10 个数量级差的问题，否则迭代运算不能正常进行[6~7]， 算法采用 Newton-Raphson，Runge-Kutta-Fehlberg。仿真 结果与实验结果比较，全程范围内两者仅差 4%[8~9]，说 明本仿真完全可用于该阀的设计。
电测法用于液压系统污染监测是一种简单方便 的方法，可以同时对多种污染物进行监测。监测系统 报警时，应当停机对液压系统进行进一步的检查和处 理。电测法在线监测系统与工程机械上目前广泛使用 的其他方法配合使用，就可使工程机械的液压系统在 良好的状态下长期可靠运行。
参考文献：
[１] 姚成玉，赵静一，张齐生，王益群. 液压油污染检测技术的 评述[J]. 润滑与密封，2006（l0）.
HUANG Dong
（青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266033）
摘 要：研制应用于高速列车上的压力保护阀需要开发一个检测系统来提供压力保护阀的气压环境并能检 测其工作状态。以可编程控制器（PLC）、触摸屏、空压机、减压阀、气路电磁阀、节流阀和压力变送器等为平台，通 过检测有关测点的压力值，根据制定的运行策略自动控制空压机和气路电磁阀的运行状态，调节节流阀的开度， 可以产生 200 Pa/s 的气压变化。实现压力保护阀状态的检测和数据分析。
ER.Tokyo, Japan:March,1989.393-399. [４] 姜福祥.影响电液比例溢流型三通减压阀输出压力因素
的数值分析[J].机床与液压,2007(12): 99-101. [５] 姜福祥，郁凯元.变流量系数模型对先导式溢流阀静态仿
真结果影响的研究[J].机床与液压,2003(2):174-176. [６] Richard L, Burden J. Douglas Faires. Numerical analysis
好。 4 结束语
本文应用数值分析方法仿真，从参数变化对输出 量的影响规律中求取最佳设计参数。同时，该方法还 有助于理解各参数和干扰量的作用。电液比例溢流型 三通减压阀的非线性及其复杂程度都较高，仿真与实 验结果全程仅差 4%，可以相信仿真完全能够满足液 压系统或元件的设计要求。为高精度、短时间、低成本 地研发液压产品，提供一种有效的方法。
64
液压与气动
2008 年第 7 期
为了实现在负载流量几乎为零时，对其负载出口
腔压力
p A
的精确控制，先导阀采用双可变（圆孔）弓形
节流口 A 型液阻半桥。由液阻网络分析可知，A 型液
阻半桥的零位压力增益 p 和流量增益 q 均为 B 型 半桥的两倍，因而 A 型半桥的应用提高了先导控制的
增益，从而提高了压力控制的快速性[10]。为了消除先导
先导阀两可变（圆孔）弓形节流口雷诺数与 y 与 hpv 之比 λ 的关系如图 3b 所示，从图中可以看出两 可变弓形节流口雷诺数圴大于临界雷诺数。
1000 800 600 400 200-0.6 0 0.6 y 与 hpv 之比λ
500
R
400 300
RL L
200 R 100 L
0.2 0.6 1
阀芯径向液动力的影响[11]，先导阀孔数 y 应取偶数。
孔数 y 多，每孔流量则小，雷诺数相应也小，可能出
现层流，使流量系数产生变化。因此，先导阀孔数 y
取 2。
3.2 确定先导阀芯与孔的初始位置
为了保证在负载流量几乎为零时，先导阀采用双
可变（圆孔）弓形节流口 A 型液阻半桥能可靠响应袁双
可变（圆孔）弓形节流口应处于常开狀态，本设计采取
y 与 hpv 之比λ
a) 控制功率与λ关系
b) 雷诺数与λ的仿真关系曲线
L,R 为先导阀左、右孔雷诺数
图 3 参数关系
出口压力的灵敏度或压力增益 |¶pA /¶ y| 为最大值 或最大临界值为最好，压力增益：
¶pA ¶y
=
¶pA ¶Dy
¶Dy ¶y
（２）
由于 ¶Dy / ¶y 是个定值，因此 ¶pA / ¶y 的变化就 反映了压力增益 ¶pA / ¶y 的变化，在先导阀孔直径
[Ｍ].Beijing: Higher Education Press & Thomson Learning, Inc., 2001. [７] Jeffrey J.McConnell. Analysis of algorithms[M]. Beijing:Higher Education Press & Jones and Bartlett Publishers, Inc 2003. [８] 浙江大学流体传动及控制研究所.BJ3-H16 型三通比例 减压阀基型研究试验报告[R].杭州：浙江大学，1988. [９] 姜福祥.电液比例先导式三通减压阀及先导式溢流阀静 态仿真研究[D].南京：东南大学，2002. [10] （德）W·巴 克 . 液 压 阻 力回 路 系 统 学 [M]. 周 文 译 . 北 京 ： 机械工业出版社，1980. [11] 路甬祥，胡大纮.电液比例控制技术[M].北京：机械工业
为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，车 厢需要采取措施进行空气压力密封，在空调环控设备 设立压力控制，进排气风口安装压力保护阀，目的就 是在机车内压力变化超过设定范围时及时关闭保护
收稿日期：2008-01-28 作者 简介：黄东（1971—），男，山 东 青 岛 人，讲 师，硕士 ，主 要 从事自动化控制方面的科研和教学工作。
关键词：压力控制阀；非线性系统；数值分析；液桥；设计
中图分类号：TH137.52 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2008)07-0063-03
1 引言 在开发设计液压系统或元件时，一般从静态和动
态两个方面考虑，使用的方法主要有理论分析、计算 机仿真、实验研究 3 种[1~2]。由于液压系统的非线性因 素，常常需进行线性化与简化，因而理论分析得出的 结论往往误差较大，而且也不符合元件的整个工作范 围。在新产品开发设计阶段，实验研究需要制作较多 的样机，因而周期长、成本高。计算机仿真能有效地解 决液压系统的非线性问题，科学、直观地预测系统特 性，同时结构参数对性能的影响能被直观地反映出 来。但其结果是否真实可靠，还需要少量实验验证。
[２] 王敬涛.液压系统工作油液污染快速检测实验及研究[D]. 南京：解放军理工大学，1999（11）.
[３] 邓经纬，匡华云.大型机械液压油污染分析及在线监测技 术[J].液压与气动，2006（12）.
[４] 周新聪，刘东风，程海明，孙怡，严新平.油液污染度测定相 关问题的探讨[J].润滑与密封,2004（7）.
先导阀芯与孔中心对称装配。
3.3 确定先导阀孔直径
先导阀孔直径 hpv 的大小直接影响所消耗的控 制功率，显然，其值越小所消耗的控制功率也越小，但 其最小值应能保证：全程范围内，在负载流量几乎为 零时，先导阀双可变（圆孔）弓形节流口都不能出现层 流，否则，因流量系数随雷诺数变化，会导致电液比例 溢流型三通减压阀输出压力与输入电流或电磁力的
先导阀孔直径 hpv/mm L,R———先导阀左、右孔雷诺数
图 1 先导阀孔雷诺数与其直径 hpv 的 仿真关系曲线
3.4 先导阀左右口重迭量设计 本设计中将先导阀左右口重迭量转化为先导阀
芯两节流边距与孔中心距差 y 来讨论， y 为正时， 表示先导阀心两节流边距大于与两孔中心距； y 为 负时，表示先导阀心两节流边距小于与两孔中心距。
1 6 2 0 -.2 -.6 -.1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 输入电磁力与其额定值之比
图 2 y 与 hpv 之比 λ 取值范围
y 与 hpv 之比 λ 对所消耗的控制功率关系，如 图 3a 所示，从图中可以发现 y 与 hpv 之比 λ 取下 限值 -0.75 时，所消耗的控制功率为最小。当然，取何 值还要考虑二个因素，即，① 保证先导阀双可变（圆 孔）弓形节流口都不能出现层流；② 出口压力的灵敏 度或称压力增益 ¶pA / ¶y 。
非线性严重[5、10]。图 1 为先导阀孔雷诺数与其直径 hpv 的仿真关系曲线，可变（圆孔）弓形节流口的临界雷诺
数为 196，因此，先导阀孔直径 hpv 的最小值应大于 0.6 mm，考虑安全可靠本设计选取 0.8 mm。
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200 100
RL
0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3
y 的取值范围。当 y 正值大到一定程度时，右
阀口开口面积过大，左阀口面积过小，使主阀上腔压 力下降，主阀芯上移，主阀口关闭从而不能正常工作； 与此相反，当 y 负值大到一定程度时，右阀口开口面 积过小，左阀口开口面积过大，使主阀上下腔压力差 下降，主阀芯不能上移，同样阀也不能正常工作。使阀 能正常工作的先导阀芯两节流边距与孔中心距差 y
参考文献： [１] 顾启泰.系统设计与仿真[M]. 北京：清华大学出版社，1995． [２] 谭尹耕.液压实验设备与测试技术[M].北京：北京理工大
学出版社，1997. [３] Lu YongXiang, Yu KaiYuan, Quan Long. Development and
research of new type three-way pilot proportional pressure reducing valve[Ｃ] . International Symposium on FLUID POW-
{ Cd =
ìCd max 当 Re逸Rec 时
í îk
Re 当
Re <
Rec 时
(１)
Hale Waihona Puke Baidu
式中 符号意义如下： 为流量系数； max 为最大流 量系数；Re 为雷诺数；Rec 为临界雷诺数；k 为流量系 数与 Re 间的斜率。 3 先导阀参数设计 3.1 先导阀孔数
收稿日期:2008-01-02 作者简介:姜福祥(1962—),男,江苏淮安人,副教授,高级工程 师，硕士，主要从事计算机测控与仿真工作。
2008 年第 7 期
液压与气动
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电液比例三通溢流型减压阀先导液桥设计
姜褔祥 1袁郁凯元 2
Pilot Liquid Bridge Design of Electro-hydraulic Proportional Three-way
Pressure Reducing Valve
JIANG Fu-xiang1, YU Kai-yuan2
hpv 一定时，¶pA / ¶Dy = ¶pA / ¶l ，仿真结果显示 ¶pA / ¶l 基本保持不变。
综上分析， y 与 hpv 之比 l 取下限值 -0.75 为最
2008 年第 7 期
液压与气动
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基于 PLC 的高速列车压力保护阀检测系统的研制
黄东
The Detecting System of Pressure-head Valve for High-speed Railway Based on PLC
（1.淮安信息职业技术学院 江苏省电子产品装备制造工程技术研发中心，江苏 淮安 223003； 2.东南大学 机械工程系, 江苏 南京 210096）
摘 要院建立电液比例三通溢流型减压阀数学模型，应用数值分析仿真结果和样品实验结果一致，数值方法 能有效地解决液压系统的非线性问题，直观地反映参数变化对性能的影响。为准确选取参数，缩短设计周期，降 低研发成本，实现设计目标，提供一种数值分析的设计方法。
关键词：PLC;高速列车；压力保护阀；压力变送器
中图分类号：TP271.32 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2008)07-0065-03
1 引言 高速运行的列车在会车时，尤其是在隧道内会车
时产生活塞效应，车体表面将受到正负数千帕的瞬时 压力变化，压力波动传到车厢内引起室内压力的变 化，旅客会感到不适，严重时还会对身体造成伤害。影 响旅客舒适度的压力指标有两个：一是压力变化的最 大值；二是压力变化率的最大值。
要实现电液比例三通溢流型减压阀[3]的优良性 能：输出 - 输入线性；在各种干扰下，输出保持等值；在 负载流量为零时，工作可靠；控制功耗小；响应速度快 等。先导液桥的设计是关键，本文以数值分析为主，结 合实验验证的方法分析设计先导液桥。 2 设计方法简介
液压系统仿真就是应用数值分析方法求解由连
续方程、力平衡方程、流量方程和动量方程等组成的 非线性方程组[４]。仿真中，流量系数随雷诺数关系按式 (1)简化处理[5]。在编程中注意处理好阀芯位移与压力 的 10 个数量级差的问题，否则迭代运算不能正常进行[6~7]， 算法采用 Newton-Raphson，Runge-Kutta-Fehlberg。仿真 结果与实验结果比较，全程范围内两者仅差 4%[8~9]，说 明本仿真完全可用于该阀的设计。
电测法用于液压系统污染监测是一种简单方便 的方法，可以同时对多种污染物进行监测。监测系统 报警时，应当停机对液压系统进行进一步的检查和处 理。电测法在线监测系统与工程机械上目前广泛使用 的其他方法配合使用，就可使工程机械的液压系统在 良好的状态下长期可靠运行。
参考文献：
[１] 姚成玉，赵静一，张齐生，王益群. 液压油污染检测技术的 评述[J]. 润滑与密封，2006（l0）.
HUANG Dong
（青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛 266033）
摘 要：研制应用于高速列车上的压力保护阀需要开发一个检测系统来提供压力保护阀的气压环境并能检 测其工作状态。以可编程控制器（PLC）、触摸屏、空压机、减压阀、气路电磁阀、节流阀和压力变送器等为平台，通 过检测有关测点的压力值，根据制定的运行策略自动控制空压机和气路电磁阀的运行状态，调节节流阀的开度， 可以产生 200 Pa/s 的气压变化。实现压力保护阀状态的检测和数据分析。
ER.Tokyo, Japan:March,1989.393-399. [４] 姜福祥.影响电液比例溢流型三通减压阀输出压力因素
的数值分析[J].机床与液压,2007(12): 99-101. [５] 姜福祥，郁凯元.变流量系数模型对先导式溢流阀静态仿
真结果影响的研究[J].机床与液压,2003(2):174-176. [６] Richard L, Burden J. Douglas Faires. Numerical analysis
好。 4 结束语
本文应用数值分析方法仿真，从参数变化对输出 量的影响规律中求取最佳设计参数。同时，该方法还 有助于理解各参数和干扰量的作用。电液比例溢流型 三通减压阀的非线性及其复杂程度都较高，仿真与实 验结果全程仅差 4%，可以相信仿真完全能够满足液 压系统或元件的设计要求。为高精度、短时间、低成本 地研发液压产品，提供一种有效的方法。
64
液压与气动
2008 年第 7 期
为了实现在负载流量几乎为零时，对其负载出口
腔压力
p A
的精确控制，先导阀采用双可变（圆孔）弓形
节流口 A 型液阻半桥。由液阻网络分析可知，A 型液
阻半桥的零位压力增益 p 和流量增益 q 均为 B 型 半桥的两倍，因而 A 型半桥的应用提高了先导控制的
增益，从而提高了压力控制的快速性[10]。为了消除先导
先导阀两可变（圆孔）弓形节流口雷诺数与 y 与 hpv 之比 λ 的关系如图 3b 所示，从图中可以看出两 可变弓形节流口雷诺数圴大于临界雷诺数。
1000 800 600 400 200-0.6 0 0.6 y 与 hpv 之比λ
500
R
400 300
RL L
200 R 100 L
0.2 0.6 1
阀芯径向液动力的影响[11]，先导阀孔数 y 应取偶数。
孔数 y 多，每孔流量则小，雷诺数相应也小，可能出
现层流，使流量系数产生变化。因此，先导阀孔数 y
取 2。
3.2 确定先导阀芯与孔的初始位置
为了保证在负载流量几乎为零时，先导阀采用双
可变（圆孔）弓形节流口 A 型液阻半桥能可靠响应袁双
可变（圆孔）弓形节流口应处于常开狀态，本设计采取
y 与 hpv 之比λ
a) 控制功率与λ关系
b) 雷诺数与λ的仿真关系曲线
L,R 为先导阀左、右孔雷诺数
图 3 参数关系
出口压力的灵敏度或压力增益 |¶pA /¶ y| 为最大值 或最大临界值为最好，压力增益：
¶pA ¶y
=
¶pA ¶Dy
¶Dy ¶y
（２）
由于 ¶Dy / ¶y 是个定值，因此 ¶pA / ¶y 的变化就 反映了压力增益 ¶pA / ¶y 的变化，在先导阀孔直径
[Ｍ].Beijing: Higher Education Press & Thomson Learning, Inc., 2001. [７] Jeffrey J.McConnell. Analysis of algorithms[M]. Beijing:Higher Education Press & Jones and Bartlett Publishers, Inc 2003. [８] 浙江大学流体传动及控制研究所.BJ3-H16 型三通比例 减压阀基型研究试验报告[R].杭州：浙江大学，1988. [９] 姜福祥.电液比例先导式三通减压阀及先导式溢流阀静 态仿真研究[D].南京：东南大学，2002. [10] （德）W·巴 克 . 液 压 阻 力回 路 系 统 学 [M]. 周 文 译 . 北 京 ： 机械工业出版社，1980. [11] 路甬祥，胡大纮.电液比例控制技术[M].北京：机械工业
为了减少压力波的影响，保证旅客的舒适度，车 厢需要采取措施进行空气压力密封，在空调环控设备 设立压力控制，进排气风口安装压力保护阀，目的就 是在机车内压力变化超过设定范围时及时关闭保护
收稿日期：2008-01-28 作者 简介：黄东（1971—），男，山 东 青 岛 人，讲 师，硕士 ，主 要 从事自动化控制方面的科研和教学工作。
关键词：压力控制阀；非线性系统；数值分析；液桥；设计
中图分类号：TH137.52 文献标识码：B 文章编号：1000-4858(2008)07-0063-03
1 引言 在开发设计液压系统或元件时，一般从静态和动
态两个方面考虑，使用的方法主要有理论分析、计算 机仿真、实验研究 3 种[1~2]。由于液压系统的非线性因 素，常常需进行线性化与简化，因而理论分析得出的 结论往往误差较大，而且也不符合元件的整个工作范 围。在新产品开发设计阶段，实验研究需要制作较多 的样机，因而周期长、成本高。计算机仿真能有效地解 决液压系统的非线性问题，科学、直观地预测系统特 性，同时结构参数对性能的影响能被直观地反映出 来。但其结果是否真实可靠，还需要少量实验验证。
[２] 王敬涛.液压系统工作油液污染快速检测实验及研究[D]. 南京：解放军理工大学，1999（11）.
[３] 邓经纬，匡华云.大型机械液压油污染分析及在线监测技 术[J].液压与气动，2006（12）.
[４] 周新聪，刘东风，程海明，孙怡，严新平.油液污染度测定相 关问题的探讨[J].润滑与密封,2004（7）.
先导阀芯与孔中心对称装配。
3.3 确定先导阀孔直径
先导阀孔直径 hpv 的大小直接影响所消耗的控 制功率，显然，其值越小所消耗的控制功率也越小，但 其最小值应能保证：全程范围内，在负载流量几乎为 零时，先导阀双可变（圆孔）弓形节流口都不能出现层 流，否则，因流量系数随雷诺数变化，会导致电液比例 溢流型三通减压阀输出压力与输入电流或电磁力的
先导阀孔直径 hpv/mm L,R———先导阀左、右孔雷诺数
图 1 先导阀孔雷诺数与其直径 hpv 的 仿真关系曲线
3.4 先导阀左右口重迭量设计 本设计中将先导阀左右口重迭量转化为先导阀
芯两节流边距与孔中心距差 y 来讨论， y 为正时， 表示先导阀心两节流边距大于与两孔中心距； y 为 负时，表示先导阀心两节流边距小于与两孔中心距。