Физически обоснованное моделирование и идентификация параметров трения пропорционального штангового клапана

Почему важен крошечный скользящий элемент

Современные машины — от экскаваторов до промышленных роботов — полагаются на гидравлические клапаны для перемещения тяжёлых нагрузок с плавным и точным управлением. В основе многих таких клапанов лежит небольшой скользящий элемент, называемый штифтом (spool), который должен реагировать быстро и предсказуемо на электрические команды. В этой работе исследуется, как детально моделировать поведение такого клапана, с особым вниманием к трению внутри клапана, чтобы инженеры могли проектировать более безопасные и эффективные гидравлические системы.

Подвижное звено гидравлического регулятора

Исследование рассматривает распространённый промышленный компонент — пропорциональный штанговый клапан. Это устройство направляет под давлением масло в гидроцилиндр или мотор и может изменять поток непрерывно, а не просто включать или выключать его. Авторы анализируют коммерческий клапан, состоящий из трёх основных частей: корпуса из чугуна с точно подогнанным штифтом, линейного электродвигателя, перемещающего штифт взад-вперёд, и встроэлектроники, регулирующей и измеряющей положение штифта. Две противоположные пружины центрируют штифт при отключении питания, а индуктивный датчик сообщает его точное положение блоку управления.

Построение модели на основе реальных сил

Вместо того чтобы рассматривать клапан как простой «чёрный ящик» с входом и выходом, исследователи создают физически обоснованную модель, учитывающую отдельные силы, действующие на штифт. К ним относятся усилие от линейного двигателя, восстанавливающая сила пружин, инерция подвижных частей, силы от протекающего масла и трение между штифтом и корпусом. Каждое слагаемое определяется целевыми измерениями: статические испытания силы двигателя при разных токах и положениях, тесты на сжатие пружин, взвешивание подвижного узла и предыдущие исследования сил потока. Всё это собирается в одно уравнение движения, описывающее, как штифт ускоряется, тормозит и устанавливается в ответ на управляющий сигнал.

Раскрытие секрета внутреннего трения

Трение оказывается наиболее неуловимым влиянием, так как его нельзя измерить напрямую в работающем клапане. Команда применяет косвенную стратегию: клапан испытывают на специальном гидравлическом стенде и записывают отклик штифта на резкие ступенчатые изменения и на синусоидальные сигналы в диапазоне частот. При наличии масла, но вначале без потока, они настраивают параметры продвинутой модели трения, известной как модель LuGre, до тех пор, пока симуляции не совпадут с измеренным движением. Эта модель отражает, как необходимо преодолеть статическое трение для начала движения, как трение уменьшается на низких скоростях и как вязкая компонента растёт с увеличением скорости. Затем процедуру повторяют при протоке масла на разных давлениях и с обратной связью по положению и без неё, показывая, что уровни трения меняются, когда поток и давление изменяют контакт между штифтом и корпусом.

Сопоставление модели с реальностью

После калибровки физически обоснованная модель используется для прогноза поведения клапана в разных ситуациях. Авторы сравнивают смоделированные и измеренные ступенчатые отклики, отмечая перерегулирование, время подъёма и время установления для разных уровней команд, как с обратной связью, так и без неё. Они также сравнивают частотные характеристики до 100 герц, исследуя, как амплитуда и фаза движения штифта меняются с частотой возбуждения. На большей части проверенного диапазона модель хорошо повторяет реальный клапан, включая тонкие резонансы и замедляющее действие повышенного давления на входе. Несовпадения, в основном при больших командах и сильном потоке, указывают на дополнительные нелинейные эффекты и гидродинамические детали, которые ещё не полностью учтены.

Зачем нужна такая детальная картина

Чтобы продемонстрировать практическую ценность подхода, авторы сопоставляют свою физически обоснованную модель с более простой линейной моделью, часто используемой при разработке управления. Хотя простая модель может аппроксимировать некоторые измерения при фиксированных условиях, её приходится перенастраивать при изменении рабочих условий. Новая модель позволяет инженерам изменять физические параметры — жёсткость пружин, массу подвижных частей или параметры трения — непосредственно и получать реалистичные прогнозы. Для производителей машин это означает более надёжный способ тестировать стратегии управления и конструкции клапанов в цифровой среде до изготовления оборудования, а также более ясное понимание того, как внутреннее трение и силы жидкости определяют плавность и скорость гидравлического движения.

Цитирование: Ledvoň, M., Hružík, L., Bureček, A. et al. Physics-based modeling and friction parameter identification of a proportional spool valve. Sci Rep 16, 15238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46361-9

Ключевые слова: пропорциональный штанговый клапан, гидравлическое управление, моделирование трения, динамический отклик, физически обоснованное моделирование