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工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (6): 766-775    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.14.04
【特约专栏】“2024’工程机械行业科技节”成果展示——创新技术及其应用     
流体脉宽调制双向变量机构流量特性研究
徐修文1(),任燕1(),鲁立中2,阮健2
1.温州大学 机电工程学院，浙江 温州 325035
2.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310023
Research on flow characteristics of fluid pulse width modulation bidirectional variable mechanism
Xiuwen XU1(),Yan REN1(),Lizhong LU2,Jian RUAN2
1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China
2.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China
 全文: PDF(3729 KB)   HTML
摘要：

液压系统流量双向变化大多采用变转速驱动变量泵的方法，但变量机构的结构较复杂，且频繁双向变量调节会导致动态响应速度较慢。因此，提出了适用于定量泵流量调节的新机构，以实现双向变量功能。通过双向变量机构阀芯的轴向移动改变流体脉宽调制占空比，阀芯相对阀套的转速与阀芯上过流窗口数的乘积决定了流体脉宽调制的频率。对双向变量机构的流量特性进行了仿真和试验分析，结果表明：双向变量机构能够实现占空比为0~100%的双向流量控制，且仿真结果与试验结果之间仅有1.8%的误差。研究结果为固定转速设计的液压泵在变转速工况下的使用提供了一种新的流量控制方式。
关键词： 双向变量机构;  双向变量流量调节;  流体脉宽调制;  流量特性    
Abstract:

The method of variable-speed driving variable pump is mostly adopted for the bidirectional flow changes of hydraulic system. However, the structure of variable mechanism is relatively complicated, and frequent bidirectional variable regulation will lead to low dynamic response speed. Therefore, a new mechanism for flow regulation of fixed displacement pump was proposed to realize bidirectional variable function. The duty cycle of fluid pulse width modulation was changed by the axial movement of the spool of bidirectional variable mechanism. The product of the rotating speed of the spool relative to the valve sleeve and the number of valve port on the spool determined the frequency of fluid pulse width modulation. The flow characteristics of the bidirectional variable mechanism were analyzed by simulation and test. The results showed that the bidirectional variable mechanism could achieve bidirectional flow control with duty cycle of 0 to 100%, ane there was only 1.8% deviation between the simulation and test results. The research results provide a new flow control method for hydraulic pump with fixed speed design to use under variable speed working condition.
Key words: bidirectional variable mechanism    bidirectional variable flow regulation    fluid pulse width modulation    flow characteristic
收稿日期: 2024-04-16 出版日期: 2024-12-31
CLC:  TH 137.5  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(52175060)
通讯作者: 任燕     E-mail: xgs180m@126.com;rentingting211@wzu.edu.cn
作者简介: 徐修文（1998—），男，硕士生，从事液压元件建模与仿真研究，E-mail: xgs180m@126.com
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徐修文
任燕
鲁立中
阮健

引用本文:

徐修文,任燕,鲁立中,阮健. 流体脉宽调制双向变量机构流量特性研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(6): 766-775.

Xiuwen XU,Yan REN,Lizhong LU,Jian RUAN. Research on flow characteristics of fluid pulse width modulation bidirectional variable mechanism[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(6): 766-775.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.14.04    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I6/766

图1  流体脉宽调制原理示意
图2  双向变量机构的结构1—轴承座；2—壳体；3—外层阀套；4—内层阀套；5—阀芯；6—传动轴；7—内螺纹堵头；8—弹簧座（弹簧未画出）；9—端盖。
图3  阀芯和阀套的结构
图4  双向变量机构工作原理示意
图5  阀口过流面积变化示意
图6  流体流动方向变化示意
图7  阀口过流面积示意
图8  d ∈[- b+c, - b+c+a]时阀口过流面积变化示意
图9  d ∈[- b+c+a, c]时阀口过流面积变化示意
图10  d ∈[- b+c+2a, b+c - a]时阀口过流面积变化示意
图11  负载口侧阀口过流面积
图12  双向变量机构阀控液压马达系统的AMESim仿真模型
参数数值
液压油密度/(kg·m-3)870
阀口流量系数0.67
阀口所在轴肩半径/mm15
油液弹性模量/Pa8×108
液压泵排量/(L/min)60
液压泵转速/(r/min)1 000
阀芯转速/(r/min)3 000
回油背压/MPa1
表1  双向变量机构流量特性仿真参数
图13  占空比—阀芯轴向位移仿真曲线
图14  不同负载下双向变量机构输出流量仿真曲线
图15  不同负载下双向变量机构输出的稳态流量仿真曲线
图16  试验台相关设备
图17  阀芯和阀套实物
图18  双向变量机构试验原理示意1—控制中心；2—溢流阀；3—流量传感器；4—压力传感器；5—双向变量机构；6—步进电机；7—负载。
图19  不同占空比下负载口侧压力波形
图20  无负载时双向变量机构流量特性曲线
图21  负载为600 N·m时双向变量机构流量特性曲线
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