判斷一款液壓閥性能好壞有很多的評價標準,今天和大家聊一聊常見的評價方法之一——動態響應特性。對于常規的換向閥,往往只用關注階躍響應;而對于比例閥甚至伺服閥,則還需關注頻率響應特性。
在液壓系統中,閥件屬于控制元件,除了決定液壓油的流向與流量之外,還影響著系統的響應速度。試想:一個動作需要在50ms快速啟動,還需要再50ms快速準確停止,這就對液壓閥件的響應提出了要求。我們先從基礎的階躍響應說起。
一、階躍響應
階躍響應,在時間域中表達系統輸出隨階躍輸入信號的變化關系。
上圖中,代表典型的階躍響應曲線,一階環節為系統中有一個阻尼元件存在,當有一個輸入信號時,系統輸出不會馬上達到一定值,而是緩慢上升的過程。二階環節為系統中含有兩個獨立的儲能元件,且所存儲的能量能夠相互轉化,從而導致輸出帶有震蕩的性質。
在二階環節中,當給定輸入信號,系統輸出會有震蕩過程,個波峰與目標值1的差距叫做超調量,zui終系統輸出穩定在目標值95%的時間點ts叫做調節時間或響應時間。ts即是階躍響應中的重要參數。
往往我們在樣本中看到的階躍響應時間就是指ts,它反映了液壓閥的響應速度。
二、頻率響應
頻率響應,針對動態信號,即隨時間不斷變化的信號。對于這樣的信號,不可能再用時間域的階躍響應時間來表達它的動態特性了,因此引入了頻率域的方法,及所謂的頻率響應來表達。
任何一個隨時間變化的連續函數都可以分解為多個不同頻率、不同振幅的正弦函數的疊加。就如下圖左邊的波形可以由右邊的多個波形疊加而得。
基于此,我們就可以將任何輸入信號看成正弦波,而對于一個線性系統,如果輸入一個正弦信號,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,Y為系統輸出。
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,幅值比會不斷減小,相位移也會不斷增大。
工程上常用Bode圖來表達頻率特性。
通常將對應-3dB的頻率值作為幅頻響應;-3dB對應的幅值比為0.707,即幅值衰減為70%;相位移-90度對應的頻率值作為相頻響應。
因此在上圖中,閥開度0.5%時的幅頻特性(對應-3dB)為150Hz,相頻特性(對應-90度)為90Hz。而閥開度50%時的幅頻特性和相頻特性都為60Hz。
幅頻特性體現系統對輸入信號跟隨的強度,而相頻特性則體現系統對輸入信號跟隨的適時性。舉個栗子:導彈跟隨系統對相頻響應特性的要求就更高,因為系統需要適時跟蹤捕獲的目標(如空中的敵機),只要擊中就能造成巨大的打擊。
來看一個實際的樣本,以派克漢尼汾的D1FP比例伺服換向閥為例,其頻率響應特性曲線如下:
從圖中即可看到控制信號為5%時,幅頻響應及相頻響應特性都為350Hz;這從樣本參數表里也得到驗證,350Hz的頻響特性已經達到甚至超過了部分伺服閥的性能。
動態響應特性是液壓閥的關鍵參數,對系統的響應速度有著至關重要的意義。在選用液壓閥時,需要重點關注??筛鶕到y響應的要求來進行選擇。