【正文】 1 3 2 給定 B A 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 30 如圖 33 所示的系統(tǒng)引入了反饋回路，稱(chēng)為閉環(huán)系統(tǒng)。這類(lèi)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)由于不存在信號(hào)和能量的反饋，因而系統(tǒng)穩(wěn)定性好，容易設(shè)計(jì)。但與開(kāi)關(guān)式 液壓控制相比，控制質(zhì)量和方式都有改進(jìn)和簡(jiǎn)化。圖 32 的系統(tǒng)，由于不對(duì)被控量進(jìn)行檢測(cè)和反饋，因而當(dāng)出現(xiàn)被控量與期望值的偏差時(shí)無(wú)法進(jìn)行修正，稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。偏差信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后用于控制比例電磁鐵 A 或 B，從而控制閥的開(kāi)口量及方向，達(dá)到速度調(diào)節(jié)目的。它是在開(kāi)環(huán)控制基 .礎(chǔ)上增加了速度反饋元件而構(gòu)成的。如采用比例方向閥進(jìn)行調(diào)速，如圖 33 所示，則系統(tǒng)可以更簡(jiǎn)化。但結(jié)構(gòu)卻大為簡(jiǎn)化。通過(guò)改變給定信號(hào)的大小可以方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。比例調(diào)速閥的輸出流量與給定輸入電壓成正比。該回路只能實(shí)現(xiàn)正向的有級(jí)調(diào)速。速度的換向利用行程開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這是個(gè)兩級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，選中的調(diào)速閥由 3DT 和 4DT 是 否通電來(lái)決定。 電液比例控制技術(shù)的工作原理及組成 液壓開(kāi)關(guān)控制與比例控制比較 [3] 如圖 31 所示為一個(gè)采用開(kāi)關(guān)控制的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，它是一個(gè)常見(jiàn)的進(jìn)口節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。未來(lái)的閥可能帶有儲(chǔ)存器和具有智能，具有自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警功能。這種結(jié)構(gòu)有許多優(yōu)于其它 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。除了模擬式的電液比例元件外，人們也注重開(kāi)發(fā)出各種數(shù)字式液壓元件，數(shù)字式液壓元件也是今后比例技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要分支。同時(shí)，由于傳感器和電子器件的小型化，還出現(xiàn)了電液一體化的電液元件，電液比例技術(shù)逐步形成了 80 年代的集成化趨勢(shì)。除了因制造成本所限，比例閥在中位仍保留死區(qū)以外，它的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性均已和工業(yè)伺服閥無(wú)異。 80 年代，比例技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了第三階段。各種內(nèi)反饋原理的比例元件大量問(wèn)世， 耐高壓比例電磁鐵和比例放大器在技術(shù)上日趨成熟，比例元件工作頻寬已經(jīng)達(dá)到 5~15Hz，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)亦減少到 3%左右。這一階段的比例閥，僅僅是將比例型的電 — 機(jī)械轉(zhuǎn)換器（如比例電磁鐵）用于工業(yè)液壓閥，以代替開(kāi)關(guān)電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒(méi)有變化，大多不含受控參數(shù)的反饋閉環(huán)，其工作頻寬僅在1~5Hz 之間，穩(wěn)態(tài)滯環(huán)在 4~7%之間，多用于開(kāi)環(huán)控制。并相應(yīng)地改進(jìn)了閥內(nèi)的設(shè)計(jì)和引入各種內(nèi)反饋控制，從而出現(xiàn)了一種價(jià)廉的耐污染與一般工業(yè)閥相同，性能又能滿足大部分工業(yè)控制要求的比例元件 [2]。這雖然降低了制造成本，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格仍然十分可觀，使它的應(yīng)用仍然受到限制。一方面是 在高性能的伺服閥的基礎(chǔ)上發(fā)展了工業(yè)伺服技術(shù)。這些為電液比例技術(shù)的發(fā)展提供了有利的條件?，F(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，要求開(kāi)發(fā)一種廉價(jià)、節(jié)能、維護(hù)方便、控制精度和響應(yīng)特性均能滿足工業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)際需要的電液控制技術(shù)。使伺服技術(shù)難以為更廣泛的工業(yè)應(yīng)用所接受。于是，各類(lèi)民用工程對(duì)電液控制技術(shù)的需求就顯 得更加迫切和廣泛 [1]。 60 年代后期由于人們對(duì)各類(lèi)工藝過(guò)程進(jìn)行了深入研究，對(duì)其精確數(shù)學(xué)模型有了比較深入的了解，因而對(duì)工藝過(guò)程控制提上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 25 出了更高的要求。 60 年代各種結(jié)構(gòu)的電液伺服 閥相繼問(wèn)世，特別是以摩格為代表的采用干式力矩馬達(dá)和級(jí)間力反饋的電液伺服閥的出現(xiàn)和各類(lèi)電反饋技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了電液伺服閥的性能，電液伺服技術(shù)業(yè)已成熟。 50 年代后期又出現(xiàn)了以噴嘴擋板閥作為先導(dǎo)級(jí)的電液伺服閥，使電液伺服系統(tǒng)成為當(dāng)時(shí)響應(yīng)最快，控制精度最高的伺服系統(tǒng)。 1940 年底在飛機(jī)上首先出現(xiàn)了電液伺服系統(tǒng)，其滑閥由伺服電機(jī)拖動(dòng)，伺服電機(jī)慣量很大，成了限制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的主要環(huán)節(jié)。由于噴氣式飛行器速度很高，因 此對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、動(dòng)態(tài)精度、功率和重量都提出了更高的要求。當(dāng)時(shí)出于軍事需要，對(duì)武器和飛行器的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究已取得了很大的進(jìn)展。 電液比例控制技術(shù)發(fā)展概況 17 世紀(jì)帕斯卡提出著名的帕斯卡定律，奠定了液壓傳動(dòng)的理論基礎(chǔ)。因而開(kāi)關(guān)控制也有可取之處。不同的是在比例控制中，比例元 件根據(jù)接受到的控制信上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 24 號(hào)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，因而使系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。因此要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的復(fù)雜控制時(shí)，必須有足夠大量的元件，把各個(gè)元件調(diào)整成某一特殊的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)使受控對(duì)象按預(yù)定的順序和要求動(dòng)作。與比例控制對(duì)應(yīng)的還有開(kāi)關(guān)控制。電液伺服系統(tǒng)是較早主要在軍事工程領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的電液控制技術(shù)，而電液比例控制技術(shù)，是針對(duì)伺服控制存在的諸如功率損失大、對(duì)油液過(guò)濾要 求苛刻、制造維修費(fèi)用高等，而它提供的快速性在一般工業(yè)設(shè)備中又往往用不著的情況，在近 30 年迅速發(fā)展起來(lái)介于普通控制與伺服控制之間的新型電液控制技術(shù)分支。閉環(huán)比例閥也可以用于外部反饋閉環(huán)系統(tǒng)。比例控制裝置是一種有確定增益的轉(zhuǎn)換器。伺服控制裝置總是帶有內(nèi)反饋，任何檢測(cè)到的誤差都會(huì)引 起系統(tǒng)狀態(tài)改變，而這種改變正是強(qiáng)迫這個(gè)誤差為零。但就目前來(lái)說(shuō)，前者主要用于開(kāi)環(huán)控制，而后者主要用于閉環(huán)控制。從廣義上講，在應(yīng)用液壓傳動(dòng)與控制和氣壓傳動(dòng)與控制的工程系統(tǒng)中，凡是系統(tǒng)的輸出量，如壓力、流量、位移、轉(zhuǎn)速、速度、加速度、上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 23 力、力矩等，能隨輸入控制信號(hào)連續(xù)成比例地得到控制的，都可稱(chēng)為比例控制系統(tǒng)。 3 電液比例控制技術(shù)概述 電液比例控制技術(shù)基本概念 在液壓傳動(dòng)與控制中，能夠接受模擬式或數(shù)字式信號(hào)，使輸出的流量或壓力連續(xù)成比例地受到 控制，都可以被稱(chēng)為電液比例控制系統(tǒng)。 6） 試驗(yàn) 臺(tái) 應(yīng) 能 夠測(cè) 定 減 振器高低 溫狀態(tài)下 的性能 油壓減振器依靠液壓油在減振器拉壓過(guò)程中通過(guò)小孔產(chǎn)生的阻尼力來(lái)工作，因此溫度對(duì)減振器的性能有很大的影響，而我國(guó)的實(shí)際條件決定我國(guó)的列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所經(jīng)歷的溫差變化很大。因此能夠反映減振器實(shí)際狀態(tài)的動(dòng)態(tài)阻尼性能參數(shù)對(duì)整個(gè)走行部分的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性意義。不能夠給出減振器的動(dòng)態(tài)阻尼特性。動(dòng)態(tài)阻尼特性是考慮減振器結(jié)構(gòu)（如兩端彈性節(jié)點(diǎn)、儲(chǔ)油缸具有空氣囊等）和液體剛度影響時(shí)的阻尼特性，它使減振器的力、速度和位移之間具有一定的相位差。 4） 試驗(yàn) 臺(tái) 應(yīng)該 能 夠檢測(cè)減 振器的 動(dòng)態(tài) 性能 減振器的阻尼特性有靜態(tài)阻尼特性和動(dòng)態(tài)阻尼特性之分。為了更好的檢測(cè)減振器的性能， 需要檢測(cè)減振器在不同速度、不同振幅、不同頻率下的阻尼特性，因此需要試驗(yàn)臺(tái)調(diào)整的便捷化；減振器實(shí)際在裝車(chē)使用時(shí)其振動(dòng)形式并非頻率和幅值均固定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，而是隨機(jī)振動(dòng)。在這方面，液壓伺服試驗(yàn)臺(tái)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。這樣對(duì)工裝夾具就有更高的要求，如何設(shè)計(jì)出更加方便快捷的夾緊裝置，對(duì)提高測(cè)試精度和測(cè)試效率起到重要作用。 減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì) 1） 工裝夾具的通用性和方便性 目前國(guó)內(nèi)外所使用油壓減振器接頭 形式很多，而且結(jié)構(gòu)類(lèi)型和尺寸大小有很多差異，這樣就給各個(gè)生產(chǎn)廠、車(chē)輛段、車(chē)輛廠以及檢驗(yàn)單位對(duì)減振器的檢驗(yàn)檢驗(yàn)帶來(lái)許多問(wèn)題。記錄臺(tái)的記錄筆在左右方向的偏移量，表示扭桿扭力的大小，也即是表示減振器阻力的大小，最后繪出減振力示功圖。減振器的下端固定在曲拐上，曲拐裝在一根測(cè)力扭桿上，利用扭桿變形，測(cè)量減振器的阻力大小。 目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的減振器試驗(yàn)臺(tái)為曲柄滑塊形式，由電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)減速后，帶動(dòng)一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，對(duì)減振器實(shí)現(xiàn)正弦波激振。通過(guò)彈性扭桿測(cè)力和振幅，并依靠人工處理數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)汽車(chē)減振器試驗(yàn)臺(tái)發(fā)展快于機(jī)車(chē)車(chē)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 20 輛減振器試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)工作范圍廣，運(yùn)動(dòng)速度由伺服系統(tǒng)自動(dòng)控制，可以產(chǎn)生任意形狀的激勵(lì)波形，同時(shí)能對(duì)動(dòng)態(tài)阻尼及動(dòng)態(tài)剛度進(jìn)行測(cè)試，但是由于設(shè)備需要專(zhuān)門(mén)的工作環(huán)境及嚴(yán)格的維護(hù)保養(yǎng)，故不適合在一般基層單位使用?，F(xiàn)在比較先進(jìn)的控制方式為死循環(huán)液壓控制方式， KONI 公司采用的是 液壓死循環(huán)控制液壓減振器試驗(yàn)臺(tái)，主要以測(cè)試阻尼特性為主，如圖 21 所示。從KONI 公司提供的產(chǎn)品說(shuō)明和試驗(yàn)報(bào)告來(lái)看， KONI 公司的輔助試驗(yàn)項(xiàng)目非常豐富，包括減振器出廠試驗(yàn)、減振器仿真、調(diào)整等。荷蘭 KONI 公司研究和開(kāi)發(fā)車(chē)輛通用 的抗蛇行減振器也已經(jīng)有幾十年的歷史，該公司的液壓減振器被世界各地的鐵路公司和機(jī)車(chē)車(chē)輛制造商所采用，處于世界領(lǐng)先地位。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，減振器試驗(yàn)一般有以下四個(gè)方面的內(nèi)容：（ 1）示功圖試驗(yàn)：減振器的阻力與位移試驗(yàn)（ FS）；（ 2）速度特 性試驗(yàn)：減振器的阻力與活塞速度試驗(yàn)（ FV）；（ 3）溫度特性試驗(yàn)：減振器的阻力與試件溫度試驗(yàn)（ FT）；耐久性試驗(yàn)：（ 4）工作循環(huán) 1 106 次后，減振器的阻力與位移試驗(yàn)（ FS）。當(dāng) 0VV? 時(shí)，拉伸速度進(jìn)一步增大，阻尼閥孔阻尼力加大，此時(shí)通過(guò)阻尼閥的流量 22131 2( )KdKPPQ C A ??? （ 125） 根據(jù)流量連續(xù)性原理，有 1? （ 126） 由式（ 115），（ 125），（ 126）可得 22221 2 ddKAVP CA?? （ 127） 由式（ 119）和（ 127）可得減振器的壓縮阻尼力為 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 17 22322 dc dKAVF CA?? （ 128） 2 減振器 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的發(fā)現(xiàn)狀況 減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外都對(duì)減振器作了大量的研究工作，研究方向歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：對(duì)減振器高頻特性的研究；對(duì)減振器試驗(yàn)方面的研究；對(duì)減振器噪聲問(wèn)題的研究；對(duì)減振器非線性問(wèn)題的研究；對(duì)減振器溫度特性的研究；對(duì)減振器仿真特性的研究。壓力愈高，彈簧剛度便愈大，因而 ，溢流量變化時(shí)壓力的變化便愈大。不計(jì)閥芯的重力、摩擦力和液動(dòng)力時(shí)，非差動(dòng)式直動(dòng)溢流閥穩(wěn)態(tài)下的力平衡方程為 221 3 2 0 2( ) ( )KP P A K x x? ? ? （ 121） 式中： 1P —— 油缸無(wú)桿腔的壓力； 3P —— 儲(chǔ)油腔的壓力； 2KA —— 壓縮阻尼閥孔口面積； 2K —— 彈簧剛度（ N/m）； 20x —— 彈簧預(yù)壓縮量（ m）； 2x —— 閥開(kāi)口量（ m）。下腔流入儲(chǔ)油腔的油液流量 ()D D d dQ A V A A V A V? ? ? ? （ 115） 且有 21312 2( )d PPQ C A ??? （ 116） 式中： 2dC —— 節(jié)流孔 2f 的孔口系數(shù)，取 2 ? ； 2A —— 節(jié)流孔 2f 的面積。當(dāng) 0VV? 時(shí)，拉伸速度進(jìn)一步增大，阻尼閥孔阻尼力加大，此時(shí)通過(guò)阻尼閥的流量 11211 2( )KdKPPQ C A ??? （ 111） 式中： 1KdC —— 孔口流量系數(shù)，取 1 1 ??； 1KA —— 拉伸阻尼閥孔口面積； 根據(jù)流量連續(xù)性原理，有 1? （ 112） 由式（ 11），（ 111），（ 112）可得 11222 22()2DddKA A VP CA ??? （ 113） 由式（ 15）和（ 113）可得減振器的拉伸阻尼力為 113222()2Ddt dKA A VF CA ??? （ 114） 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電液比例控制軌道車(chē)輛液壓減振器實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 14 壓縮行程 K 2K 1ⅡⅠVf 2f 1P 1P 2P 3 圖 16 壓縮行程 在壓縮行程中，減振器活塞相對(duì)于工作油缸向下運(yùn)動(dòng)，如圖 16 所示。壓力愈高，彈簧剛度便愈大 ，因而，溢流量變化時(shí)壓力的變化便愈大。 不計(jì)閥芯的重力、摩擦力和液動(dòng)力時(shí)，非差動(dòng)式直動(dòng)溢流閥穩(wěn)態(tài)下的力平衡方程 [24]為 112 1 1 0 1( ) ( )KP P A K x x??? （ 17） 式中： 1P —— 油缸無(wú)桿腔的壓力； 2P —— 油缸有桿腔的壓力； 1KA —— 拉伸阻尼閥孔口面積； 1K —— 彈簧剛度（ N/m）； 10x —— 彈簧預(yù)壓縮量（ m）； 1x —— 閥開(kāi)口量（ m）。故上下腔壓力差近似為上腔壓力 2P ，則油液通過(guò)阻尼孔 1f 的流量為 112 1 21 1 12( ) 2ddP P PQ C A C A????? （ 12） 式中： 1dC —— 孔口流量系數(shù)，它是實(shí)際流量與理論流量之比，近似取1 ? ； 1