基于线性逻辑调节的复合动作控制阀研究

基于线性逻辑调节的复合动作控制阀研究

针对特定应用场合下的液压系统复合动作协调控制要求，提出一种基于线性逻辑调节的复合动作控制阀的设计。通过逻辑分析与计算建立起两个复合动作液控比例多路阀先导压力间的逻辑关系，以确定液压原理及阀件结构。为分析研究该复合动作控制阀的逻辑控制特性，在AMESim环境中建立包含先导级减压阀、逻辑主阀、开关切换阀的元件级仿真模型。仿真结果表明，复合动作控制阀的输出压力与系统输入压力之间满足分段线性逻辑关系，即系统输入压力低于先导级减压阀设定压力时，复合控制控制阀输出压力与系统输入压力等值，反之，复合控制阀输出压力与系统输入压力呈特定线性函数，改变先导级减压阀的设定值可精确调节线性逻辑的切换点，改变逻辑主阀的结构设计参数可相应调节线性对应关系。

标签：线性逻辑调节；液控比例多路阀；复合动作控制；减压阀；AMESim 仿真

1 引言

液控比例多路阀作为一种控制执行机构运行方向及速度的液压元件被广泛应用于各类液压系统中。一般来讲，液控比例多路阀包括主级和先导级两部分，先导级通过改变供油压力来控制主阀阀芯开口量，从而达到改变执行器运行速度的目的。对于机械操作（如操作手柄、脚踏板等）的先导级来讲，当两个或两个以上执行器需要按照某种比例复合运行时（如升降油缸与卷扬绞车的同步运行），则对驾驶员的操作熟练程度要求较高且实际效果难以保证。基于以上需求，设计开发对应逻辑关系的、可靠度高、安装方便的随动先导压力阀是非常实用和必要的。因此，针对复合运行模式要求设计开发该螺纹插装式先导用减压阀是非常必要的。

2 工作原理及结构设计

2.1 液压原理的建立

2.1.1 逻辑关系分析

假设在复合运行模式中，通过对不同流量要求计算得出两个液控比例多路阀主级的开口量比为i：1，即两个液控比例多路阀主级的先导控制压力去除死区后的比为

Pa1∶Pa2′=i∶1

。由于主级阀芯开启存在死区（假设为D bar），所以当先导级压力在死区范围内时，两先导控制压力比应为Pa1∶Pa2=1∶1。

综上，可以得到在液控比例多路阀Ⅰ与液控比例多路阀Ⅱ复合运行时（图1中②号电磁阀处于得电状态），需要满足以下要求：

2.1.2 建立液压原理图

图1中虚线框内部分可视作一个逻辑功能单元，即在原液压油路基础上增加该功能单元即可实现液控比例多路阀Ⅰ与液控比例多路阀Ⅱ复合动作。根据2.1.1节分析的逻辑关系可以把该逻辑单元大致分成三个部分：控制压力电磁切换阀、出口定压减压阀以及实现逻辑转换关系的先导减压阀。可建立液压原理图如下图2所示。

图2中，出口定压减压阀应为可手动调节阀，其标准值设定为D bar（即死区压力），但应能够在一定范围内连续可调，以适应主级阀件开启时死区压力的差异。逻辑转换先导用减压阀主要承担先导压力按逻辑关系转换的功能，为液控比例多路阀Ⅱ跟随液控比例多路阀Ⅰ复合运动提供先导控制油。电磁切换阀主要用来切换比例多路阀Ⅱ与比例多路阀Ⅰ是否需要复合运动，在失电状态下，比例多路阀Ⅱ单独由Pa2控制，当其处于得电状态时，则切换为复合运动方式。

2.2 结构设计及分析

基于2.1节对逻辑关系的分析及原理图的建立，对于出口定压减压阀和控制压力电磁切换阀的设计由于是通用元器件，限于篇幅将不做详述，以下将主要针对逻辑转换先导用减压阀的结构设计进行分析。

设计该阀时，将主要考虑以下几个因素：（1）体积小，占用空间少，便于安装维护；（2）结构简单，性能可靠，能够适应较恶劣的工作环境；（3）出口压力控制精确高，波动范围小。基于以上几点要求，且考虑到其作为先导阀使用，压力和流量均较低的特点，该阀的阀体可选用常见的螺纹插装阀形式。可以保证其占用空间小，自身体积小，易于安装，结构简单等要求，然后通过阀芯的优化设计，达到性能可靠，精度高等要求。其具体形式如图3所示。

如图3所示，阀体采用阶梯式设计，各油口间通过O型圈密封，安装采用螺纹形式且配备O型圈密封与外界隔离。阀体本身应用40Cr并经调质处理，确保其具有一定的硬度和耐磨度。阀芯则采用GCr15经淬火处理，保证高耐磨度和不同温度环境下极小的变形量，并在其配合段圆周上开若干均压槽，确保其具有良好的导向性和极小的泄漏量。

对于阀芯的稳态受力情况，由图3可得到：

通过上述结构的设计与分析，该阀可以满足设计要求。

3 模型建立与性能仿真分析

3.1 逻辑减压阀模型仿真

復合动作控制阀的核心部分是线性逻辑调节阀，为了研究分析所设计的逻辑调节阀组的功能特性，依据控制阀组的机械结构在AMESim环境中搭建阀组的元件级仿真模型，如图4所示，仿真模型主要包含了油源、先导级减压阀和逻辑主阀三个部分。为了分析输入输出压力之间的对应关系，设定油源压力为一个0-100bar线性变化的输入信号，并通过调节先导级减压阀的弹簧压缩量将先导级输出压力调定在12bar。根据逻辑阀组的设计参数，对应设置上述模型中的仿真参数，如表1所示。

3.2 系统控制特性仿真

为分析逻辑减压阀组的输出压力与系统输入压力的逻辑关系，作者通过调整减压阀弹簧的压缩量将先导级减压阀的出口压力值设定为12bar，其次，使油源输入压力在0～100bar范围内线性变化，仿真得到先导级减压阀的出口压力及逻辑减压阀主阀口的出口压力如图5所示。根据图中曲线可以看出，在油源输入压力小于12bar时，先导级减压阀出口压力与主阀出口压力值与系统压力值相等，并跟随系统压力值升高而增大。当油源输入压力大于12bar时，先导级减压阀出口压力值保持在12bar，而主阀的出口压力跟随系统压力上升而增大，但出口压力曲线的斜率减小。

为进一步对比逻辑减压阀组的出口压力与系统压力的逻辑关系，以系统压力值作为横坐标、逻辑减压阀组出口压力作为纵坐标绘制对比曲线如图6所示，根据图示曲线可以看出，减压阀阀组出口压力与系统压力呈线性对应关系，其逻辑曲线与仿真曲线吻合程度好，说明所设计的逻辑减压阀阀组能够满足系统的功能要求。

4 总结

通过上述计算分析和仿真，结果表明复合动作控制阀的输出压力与系统输入压力之间满足分段线性逻辑关系，且线性吻合程度较好。同时，改变先导级减压阀的设定值可精确调节线性逻辑的切换点（主阀死区匹配），改变逻辑主阀的结构设计参数可相应调节线性对应关系。综上，本文论证了该基于线性逻辑调节的复合动作控制阀在原理和结构上是可行的，可以作为一种复合运动控制阀在工程实践中得到应用。

参考文献

[1]吴根茂，邱敏秀，王庆丰，等.实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社，1993.

[2]施光林，钟延修.高速电磁开关阀的研究与应用[J].机床与液压，2001，（2）：7-1.

[3]孔晓武.高速开关阀动态性能试验装置及其应用研究[J].机电工程，2005，