高壓電磁閥多閥體相差流量調節技術研究

袁圓，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

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高壓電磁閥多閥體相差流量調節技術研究

袁圓，李小寧

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

摘要：高壓先導式電磁開關閥為了實現大流量輸出，通常要增大主閥芯的直徑，也相應地需要增加導閥和電磁鐵的尺寸，這使得先導閥和主閥的響應時間延長，難以達到快速性的要求。提出了一種新的技術方法，可實現快速的大流量輸出。其基本原理是采用多個能快速響應的小流量電磁閥，通過對每個閥進行開啟的相位控制，使總的輸出流量既能達到大流量需求，又能達到單個閥所具有的快速響應性，同時，還可以在一定范圍內實現流量的擬線性調節。介紹了相應的相位差控制模型和試驗數據，結果表明該方法是有效可行的，為高壓氣動控制系統中負載速度的控制提供了一種新的技術途徑。

關鍵詞：高壓電磁閥；瞬時輸出流量；相差調節

0前言

高壓氣動驅動系統很重要很迫切的一種實際需求就是：希望瞬時輸出大流量，驅動負載短時(例如在300ms以內)加速到期望的高速度；此外根據不同情況，對負載速度能進行適當調節。這就要求電磁閥具備快速大流量輸出能力并能實現一定范圍內流量的可調。

對于傳統結構高壓電磁閥來說，如果要增大輸出流量，通常要增大主閥芯的直徑，也相應地需要增加導閥和電磁鐵的尺寸，這使得先導閥和主閥的響應時間延長，難以達到快速性的要求。文獻[1]中描述的一種型號為2W500-50高壓大通徑電磁閥，工作壓力可達15MPa，雖然最大輸出流量可達500L/min，但響應時間隨著流量孔徑的增大而增加到6s。因此，采用傳統結構的先導式電磁閥難以兼顧大流量和快速性的要求，也難以在達到大流量和快速要求的條件下，實現流量的可調節。

目前在氣動閥上也有采用電-氣比例流量控制和脈寬調制(PWM)方式的流量調節方法，該調節方法主要是用于控制閥在動態響應結束后的穩態輸出流量，并不適用于工作在動態輸出過程中要求具有流量調節的情形[2,3]。

為了實現高壓氣動驅動系統的重要技術需求，克服傳統高壓電磁閥因傳統結構帶來的固有性能缺陷，文中提出了一種新的方法，稱為多閥體相差流量調節技術，以實現快速的大流量輸出和在此條件下的流量可調。下面將分別介紹其技術原理、理論建模和試驗結果。

1多閥體相差流量調節的數學模型

1.1　高壓電磁閥的結構和工作原理

高壓電磁閥的結構簡化模型如圖1所示，該閥為常閉、開關型兩位兩通先導式電磁閥，它的工作原理為：電磁鐵通電后，隨著電磁力的增加，鐵芯克服彈簧力及其他阻力拉動先導閥芯向上抬起，此時先導閥口打開，主閥上腔的氣體由排氣孔排出，使得上腔的氣體壓力減小，在閥芯周圍形成下高上低的壓差。下腔的氣體壓力推動閥芯向上運動，主閥口打開，壓縮氣體由入口流向出口；電磁鐵斷電后，電磁力消失，彈簧力使先導閥壓緊在排氣口上，先導閥口關閉，入口處的壓縮氣體通過旁通孔迅速進入閥門并充滿閥芯上腔，在閥芯周圍形成上高下低的壓差，上腔的氣體壓力推動閥芯向下運動，主閥口關閉。

圖1　高壓電磁閥的結構簡圖

1.2　高壓電磁閥的輸出流量

假定高壓電磁閥的工作過程滿足的基本條件是：各腔室內氣體均為理想氣體；壓縮空氣在管道系統中作定常流動，且與外界無熱交換，即熱力學過程為等熵過程(可逆絕熱過程)；系統在運行過程中，各腔室以及管道中的氣體流失忽略不計；電磁鐵通電后產生的磁場影響忽略。則高壓閥主閥的輸出流量可表示為：

(1)

其中：A——壓縮氣體流過的截面積，m2；

P1、P2——節流口的上下游壓力，Pa；

T1——節流口的上游溫度，K；

Cd——流量系數；

R——干空氣氣體常數，R=287.1 J/(kg×K)；

1.3　流量調節的數學模型和基本原理

從式(1)中可以看出，在節流口上下游壓力、流量系

數、氣源溫度恒定不變的條件下，流量大小主要與壓縮氣體流過的有效截面積A有關。以閥1為基準，設閥2相對于閥1的開啟時間滯后一個相位φ1，閥3相對于閥1開啟滯后一個相位φ2，滿足以下關系：

(2)

式(2)中Δt1、Δt2分別為閥2相對于閥1、閥3相對于閥2的延時，假設三個閥具有完全一致的動態特性，閥芯開啟過程的速度可以表示為t的函數，即v(t)，則閥1、閥2、閥3的閥芯位移分別為：

(3)

(4)

(5)

每個電磁閥芯的過流截面積如圖2中陰影部分所示，隨著主閥芯向上移動，閥芯位移增大，過流截面積也不斷增大。

圖2　過流截面積的簡化示意圖

圖中D為通孔半徑，O為圓心，θ為圓心角弧度數，則每個電磁閥芯的過流截面積為：

(6)

并聯回路中的有效截面積為每個分支管路有效截面積的疊加[4]，即A(t,φ1,φ2)=Ai(t)，為了獲得氣動回路中輸出流量的調節，需要控制閥按一定相位(φ1,φ2)延時開啟，所以輸出流量Qm是關于相位(φ1,φ2)的函數，將式(3)-式(6)代入式(1)，得到輸出流量的表達式為：

(7)

從式(7)可以分析得到，如果取相位差φ1=0，φ2=0則可以在要求的工作時刻點Tw獲得其最大流量Qmmax；如果取φ1=∞，φ2=∞(即閥2和閥3不開啟)，則可以在工作時刻點Tw獲得一個最小流量Qmmin。如果選取不同的相位差φ1、φ2，則有望在工作時刻點Tw獲得一個擬線性的流量變化，從而使所驅動的負載在該時刻點具備不同的發射速度。如圖3所示，在工作時刻點Tw，有最大流量Qa和最小流量Qd，通過控制相位(φ1,φ2)延時開啟，有Qd

圖3　原理示意圖

2實驗研究

2.1　實驗原理與設置

圖4給出了并聯多閥體工作的氣動回路和測試原理圖。其中實線表示連接各氣動元件的高壓管路，虛線表示各模擬信號輸入、輸出回路。它的工作原理為：壓縮氣體經過干燥器并通過減壓閥將較高的輸入壓力降低到所需壓力的數值，通過儲氣罐以穩定壓縮氣體的輸入壓力，打開手動開關閥，使氣體流入高壓電磁閥的各腔室，利用Labview軟件編寫的控制程序，設置調節參數。運行后通過PC機發出電信號，經放大電路將5 V模擬輸出電壓擴大到24 V，以驅動電磁閥打開，壓縮氣體流經電磁閥排入大氣；壓力和流量傳感器將采集到的數字信號轉為模擬電壓信號，傳遞并儲存于PC機，以便于后續對數據的處理和分析。根據實驗原理，搭建了實驗平臺，如圖5所示。

圖4　實驗原理

圖5　實驗平臺

2.2　實驗過程

通過對于相差流量調節方法的理論分析，從式(7)中不難發現，輸出流量是一個關于時間t以及相位(φ1,φ2)的復雜表達式，難以直接獲得一個流量與時間的簡潔解析表達式。為了簡化控制模型，便于進行控制，采用了一種在實驗基礎上的簡化處理，即對閥的流量特性進行實際測量，獲得閥的流量隨時間的變化曲線，然后對流量曲線進行多項式離散擬合，獲得一個流量與時間的解析表示，以此作為實際控制的依據。

a) 基于離散擬合式的控制模型

將輸入的氣源壓力調至1MPa，以閥1為基準，利用流量傳感器測得閥1的輸出流量隨時間變化的曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，輸出流量從零達到穩定狀態需要500ms的時間，在閥開啟的這段時間，通過控制閥2與閥3按一定相位(φ1,φ2)延時開啟，在同一工作時刻Tw，有QC

圖6　流量特性曲線

由于t=500ms之后閥1的輸出流量處于穩定狀態，從而取0~500ms之間的數據進行擬合計算。利用Matlab擬合工具箱，選擇四次多項式擬合方式，得到輸出體積流量Q1隨時間t變化的表達式：

Q1(t)=a·t4+b·t3+c·t2+d·t

(8)

其中回歸系數為：

a=-1.542e-8,b=1.736e-5,c=-0.00916,d=3.654

假設三個閥具有一致的動態特性，則閥2、閥3的流量表達式為：

Q2(t-φ1)=

(9)

Q3(t-φ2)=

(10)

從圖6中可以明顯看出，在要求的工作時刻Tw=300ms時，輸出流量為620.5L/min，即點A，可見閥在300ms時刻的瞬時輸出流量已經達到穩定狀態的82.4%，已經較好地利用了閥的工作能力，且這段時間的流量增加速度較快，為負載的快速驅動提供了基本的保障。下面就把相位(φ1,φ2)作為控制變量，研究其與瞬時輸出流量Q之間的對應關系。

由于不同的輸出流量所對應相位(φ1,φ2)并不是唯一的，這就需要通過分析和研究獲得相對固定的相差參數來實現流量調節。以簡化控制過程，選擇以下調節方案：首先，令閥3處于關閉狀態，對閥1和閥2的開啟相差進行調節，即在φ2的情況下，調節φ1；然后同時開啟閥1和閥2，對閥3和閥1、2之間的開啟相差進行調節，即在φ1=0的情況下，調節φ2。該方案是通過分段控制依次實現最小流量到中間流量和中間流量到最大流量之間的調節。根據流量的疊加原理，將擬合系數代入，化簡得到該調節方法下的瞬時輸出流量Q表達式為：

Q=

(11)

其中：

b) 實驗結果分析

通過對式(11)的理論計算和實驗測量，獲得瞬時輸出流量Q與相位(φ1,φ2)相對應的理論坐標點和實驗坐標點，從而得到Q隨(φ1,φ2)的變化曲線，如圖5所示，其中相位數組Φ(φ1,φ2)的取值在表1中注明。從圖7中可以明顯看出，實驗曲線與理論曲線上升趨勢基本吻合，雖然存在一定的偏差，但范圍很小，均在5%之內。前8個坐標點的偏差較為明顯，且實驗值均高于理論值，這是因為推導的理論公式是將三個閥看成是性能相同的，認為其具有一致的靜動態特性，并以閥1的流量特性為基準，進行公式推導。但實際上三個閥的流量特性略有差異，測得的閥2、閥3輸出流量略高于閥1。但流量誤差的數值還是較小的，因此采用該控制模型是可信適用的。

圖7　瞬時輸出流量-相位數組

表1　相位數組φ

3采用相差流量調節方法的負載驅動實驗

壓縮氣體的流量大小是影響氣動驅動裝置速度的主要影響因素，因此對于多閥體相差流量調節方法的實用效果驗證需通過對于某負載驅動系統的速度調節來實現。

3.1　負載驅動實驗過程

由于負載驅動實驗是在高壓的特殊環境下實現執行元件的高速運動，選用LGC70/140-1系列氣缸作為執行元件，在之前所搭建的流量實驗平臺基礎上，將原先直接連接到大氣的三個高壓電磁閥總管路的輸出端接入氣缸的進氣端，并在缸桿末端裝有25 kg的質量塊，如圖8所示。利用激光位移傳感器對負載運行過程的位移變化進行實時監測，通過Labview軟件編寫的控制程序將相差流量調節的控制模型應用到該負載驅動系統，進行速度調節實驗。

圖8　負載驅動實驗平臺

3.2　實驗結果分析

由于負載的驅動速度需求在活塞運動到0.6m時，其發射速度要達到最大，在取相位差φ1=0，φ2=0(即閥1、2、3同時開啟)，有最大發射速度，對應的工作時刻Tw=300ms。因此利用所建立的相差流量控制模型，將輸入氣源壓力穩定在1MPa，以0.6m位置處的速度作為被控對象，測得速度v隨相位數組φ的變化曲線如圖9所示，對應的相位數組φ(φ1,φ2)同表1。

圖9　速度-相位數組

結合圖9和表1，不難發現，負載的驅動速度在取相位差φ1=0，φ2=0，可以在所需發射位置處(即行程為0.6m)的發射速度達到最大，有vA=4.053m/s；在相位差φ1=∞，φ2=∞時，有最小的發射速度vB=2.303m/s。其間根據相差流量控制模型選取不同的相位差，可以實現負載的驅動速度從最大調至最小。因此該流量調節方法不僅可以使負載驅動在所需的工作時刻達到高發射速度的要求，也可對其負載驅動進行多級調速，已滿足不同負載類型或不同外部環境條件下對于發射速度的不同要求。

4結論

針對高壓先導式電磁開關閥的輸出流量與響應速度之間存在矛盾的問題，提出以快速響應的多個小流量電磁閥為基礎，構建了多閥體相差流量調節系統的實驗平臺，

以工作時刻Tw=300ms的瞬時輸出流量為控制目標，相位差(φ1,φ2)作為調節變量，控制三個并聯的相同閥按一定相位差(φ1,φ2)開啟，實現在預定工作時刻(執行氣缸的預定工作位置)的流量可調和負載發射速度可調。

利用離散擬合方法建立了理論控制模型，通過大量實驗驗證了控制模型的準確性，實驗數據表明，在同一工作時刻Tw=300ms，在取相位差φ1=0，φ2=0(即閥1、2、3同時開啟)，對應的瞬時輸出流量和負載驅動速度均有最大值，即Qmax=1902.6L/min，vA=4.053m/s；在取相位差φ1=∞，φ2=∞(即閥2、3不開啟)，其瞬時輸出流量和負載驅動速度均有最小值Qmin=620.5L/min，vB=2.303m/s；當選取不同的相位差(φ1,φ2)時，閥的工作時間不同，從而對應的流量Q和負載驅動速度v也有所不同，且有Qmin

參考文獻:

[1] 工洲閥門產品手冊. http://wenku.baidu.com/view/fb1b0d34eefdc8d376ee323a.html

[2] 韓曉麗. 廣義預測在氣動伺服系統中的應用研究[M]. 太原：太原科技大學,2008.

[3] 劉少軍. 高速開關電磁閥的現狀及應用[J]. 液壓與氣動,1995(6):12.

[4] 路甬祥. 液壓氣動技術手冊[M]. 北京：機械工業出版社,2002.

Study on Phase Control of Output-flow of High-pressure Solenoid Valves

YUAN Yuan, LI Xiao-ning

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094，China)

Abstract:In order to realize large flow output of the high pressure guiding type electromagnetic switch valve, the diameter of the main valve core and the size of the pilot valve and the magnet should be increased, thus making the response time of the pilot valve and main valve delay and it is difficult to meetve the requirement of its fast apeed. This paper puts forward a new technical method which can be used to output the large flow rapidly. Its basic principle is to use multiple small flow solenoid valves that can respond quickly. The total output flow can fulfil the requirements of the large flow and rapid response and the flow is adjusted quasi-linearly with in a certain scope by the phase control. This paper also introduces the corresponding phase control model and experimental data. The results show that the method is effective and feasible. A new technical way is provided for controling the speed of load in high pressure pneumatic control system.

Keywords:high- pressure solenoid valves; instantaneous output flow; phase control

收稿日期：2014-11-25

中圖分類號：TM642+.1

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0159-05

作者簡介：袁圓(1989-)，女，安徽馬鞍山人，碩士研究生，從事氣控閥方面的學習研究。