判斷一款液壓閥性能好壞有很多的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),今天和大家聊一聊常見(jiàn)的評(píng)價(jià)方法之一——?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)特性。對(duì)于常規(guī)的換向閥,往往只用關(guān)注階躍響應(yīng);而對(duì)于比例閥甚至伺服閥,則還需關(guān)注頻率響應(yīng)特性。
在液壓系統(tǒng)中,閥件屬于控制元件,除了決定液壓油的流向與流量之外,還影響著系統(tǒng)的響應(yīng)速度。試想:一個(gè)動(dòng)作需要在50ms快速啟動(dòng),還需要再50ms快速準(zhǔn)確停止,這就對(duì)液壓閥件的響應(yīng)提出了要求。我們先從基礎(chǔ)的階躍響應(yīng)說(shuō)起。
一、階躍響應(yīng)
階躍響應(yīng),在時(shí)間域中表達(dá)系統(tǒng)輸出隨階躍輸入信號(hào)的變化關(guān)系。
上圖中,代表典型的階躍響應(yīng)曲線,一階環(huán)節(jié)為系統(tǒng)中有一個(gè)阻尼元件存在,當(dāng)有一個(gè)輸入信號(hào)時(shí),系統(tǒng)輸出不會(huì)馬上達(dá)到一定值,而是緩慢上升的過(guò)程。二階環(huán)節(jié)為系統(tǒng)中含有兩個(gè)獨(dú)立的儲(chǔ)能元件,且所存儲(chǔ)的能量能夠相互轉(zhuǎn)化,從而導(dǎo)致輸出帶有震蕩的性質(zhì)。
在二階環(huán)節(jié)中,當(dāng)給定輸入信號(hào),系統(tǒng)輸出會(huì)有震蕩過(guò)程,個(gè)波峰與目標(biāo)值1的差距叫做超調(diào)量,zui終系統(tǒng)輸出穩(wěn)定在目標(biāo)值95%的時(shí)間點(diǎn)ts叫做調(diào)節(jié)時(shí)間或響應(yīng)時(shí)間。ts即是階躍響應(yīng)中的重要參數(shù)。
往往我們?cè)跇颖局锌吹降碾A躍響應(yīng)時(shí)間就是指ts,它反映了液壓閥的響應(yīng)速度。
二、頻率響應(yīng)
頻率響應(yīng),針對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào),即隨時(shí)間不斷變化的信號(hào)。對(duì)于這樣的信號(hào),不可能再用時(shí)間域的階躍響應(yīng)時(shí)間來(lái)表達(dá)它的動(dòng)態(tài)特性了,因此引入了頻率域的方法,及所謂的頻率響應(yīng)來(lái)表達(dá)。
任何一個(gè)隨時(shí)間變化的連續(xù)函數(shù)都可以分解為多個(gè)不同頻率、不同振幅的正弦函數(shù)的疊加。就如下圖左邊的波形可以由右邊的多個(gè)波形疊加而得。
基于此,我們就可以將任何輸入信號(hào)看成正弦波,而對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng),如果輸入一個(gè)正弦信號(hào),那么他的輸出也一定是相同頻率的正弦值,但其幅值有所改變,相位有所滯后。
X為輸入信號(hào),Y為系統(tǒng)輸出。
定義幅值比為:
相位移為:φ
頻率不同,幅值比和相位移不同。隨著頻率不斷增大,幅值比會(huì)不斷減小,相位移也會(huì)不斷增大。
工程上常用Bode圖來(lái)表達(dá)頻率特性。
通常將對(duì)應(yīng)-3dB的頻率值作為幅頻響應(yīng);-3dB對(duì)應(yīng)的幅值比為0.707,即幅值衰減為70%;相位移-90度對(duì)應(yīng)的頻率值作為相頻響應(yīng)。
因此在上圖中,閥開(kāi)度0.5%時(shí)的幅頻特性(對(duì)應(yīng)-3dB)為150Hz,相頻特性(對(duì)應(yīng)-90度)為90Hz。而閥開(kāi)度50%時(shí)的幅頻特性和相頻特性都為60Hz。
幅頻特性體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)跟隨的強(qiáng)度,而相頻特性則體現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)跟隨的適時(shí)性。舉個(gè)栗子:導(dǎo)彈跟隨系統(tǒng)對(duì)相頻響應(yīng)特性的要求就更高,因?yàn)橄到y(tǒng)需要適時(shí)跟蹤捕獲的目標(biāo)(如空中的敵機(jī)),只要擊中就能造成巨大的打擊。
來(lái)看一個(gè)實(shí)際的樣本,以派克漢尼汾的D1FP比例伺服換向閥為例,其頻率響應(yīng)特性曲線如下:
從圖中即可看到控制信號(hào)為5%時(shí),幅頻響應(yīng)及相頻響應(yīng)特性都為350Hz;這從樣本參數(shù)表里也得到驗(yàn)證,350Hz的頻響特性已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了部分伺服閥的性能。
動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是液壓閥的關(guān)鍵參數(shù),對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度有著至關(guān)重要的意義。在選用液壓閥時(shí),需要重點(diǎn)關(guān)注??筛鶕?jù)系統(tǒng)響應(yīng)的要求來(lái)進(jìn)行選擇。