一種新型大流量數字閥

賈文昂，阮 健(浙江工業大學 機械制造及自動化教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

一種新型大流量數字閥

賈文昂，阮 健
(浙江工業大學 機械制造及自動化教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

大流量開關閥一般采用多級先導結構，體積、質量較大，且先導流量和零位泄漏較大，為此提出了基于二維螺旋伺服結構的一體化大流量開關閥.該大流量數字開關閥利用螺旋伺服結構通過液壓力將閥芯的旋轉運動轉換為閥芯的軸向運動，實現二級液壓功率放大，無需另外配置先導閥.在分析大流量數字開關閥工作原理的基礎上，利用流體動力學理論建立其數學模型；在MATLAB平臺上采用龍格庫塔數值算法編制仿真程序，進行理論分析；最后建立實驗平臺對理論分析結果進行驗證.理論和實驗結果表明：新型大流量數字開關閥具有良好的流量特性和良好的動態特性，閥芯位移2.7 mm的時間約17 ms.工作壓力為3 MPa、閥芯位移為0.25 mm時，流量達到123.3 L/min；工作壓力為7 MPa、閥芯位移為0.2 mm時，流量達到106.9 L/min.

數字開關閥；大流量;二維

大流量開關閥一般用于需要大流量開關的場合，如液壓注塑機、液壓彈射系統、疲勞試驗系統等，一般要求具有大流量和高頻響特性，多采用多級閥的結構[1]，如MOOG公司的D792系列伺服閥，采用三級閥的結構，先導級為噴嘴擋板閥，對油液清潔度有較高要求，放大和功率級采用滑閥結構，21 MPa下流量為800 L/min，整體重量為17 kg，零位泄漏流量和先導流量分別為14，16 L/min，重量和體積都較大.一般對三位四通的大流量伺服閥研究較多，本課題設計的大流量開關閥主要用于高速液壓彈射系統，用于控制液壓能量的瞬間快速釋放，以達到高速彈射的要求，要求在壓力28 MPa下，空載流量能夠達到800 L/min以上，零位泄漏5 L/min以下，同時又要滿足快速響應和整體質量小的要求[2-3].高速開關閥的主要研究方向為以下幾個方面：一是開關閥的結構升級；二是電-機械轉換器的創新；三是新型特殊材料的應用，如壓電陶瓷等[4-6]；以及隨之而來的液壓微位移放大[7]等.研究內容主要集中在以下兩個方面：設計新結構的電磁鐵和優化開關閥的結構；提高開關閥的快速響應能力，如采用新型功能材料.以上研究主要集中在流量較小的開關閥(如100 L/min以下)，其流量并不作為首要因素，主要提高其快速性.因此市場上現有的高速開關閥存在響應速度和流量之間的矛盾，雖然開關速度較快，但流量一般較小，不能滿足液壓彈射系統需求.

本課題組早期研究的液壓彈射系統[8-9]以三通閥作為先導和滑動主閥相結合的結構構成大流量閥，該大流量閥體積較大且響應速度受三通閥限制.因此，在研究2D伺服閥[10]的基礎上，提出了新型二維大流量開關閥，該閥對先導和滑閥結構的主閥進行一體化設計，能夠大大減輕其體積和質量，同時又能夠滿足大流量和快速響應的要求，主要用于液壓彈射系統.筆者首先介紹新型大流量開關閥的結構原理，在結構原理介紹的基礎上，運用運動電機學和流體動力學理論建立系統的數學模型，接著在MATLAB平臺上運用龍格庫塔數字算法建立其仿真程序進行理論分析，最后建立實驗系統對空載流量和階躍響應等進行實驗驗證.

1 大流量開關閥的工作原理

大流量開關閥的工作原理與本課題組研制的其他2D閥[10]比較類似，都采用二維螺旋伺服技術作為先導級，將先導級和功率級相結合，大大減小閥的體積和質量，結構如圖1所示.圖1的左側為閥芯和閥體構成的敏感腔，閥芯最右側處有一常通高壓油的高壓腔，高壓腔處的閥芯端面為敏感腔處閥芯端面面積的一半.當閥芯處于平衡狀態時，敏感腔內的油液壓力為系統油源壓力的一半.閥芯還開設有高壓和低壓孔，高壓孔與油源連通，低壓孔與油箱連通；同時閥套上開設有螺旋槽與高低壓孔配合.閥芯平衡時，高壓和低壓孔與螺旋槽的重疊面積相等，流進和流出敏感腔的流量一致，使得敏感腔的壓力處于平衡狀態.當閥芯旋轉后，高低壓孔與螺旋槽重疊的面積改變，使得敏感腔內的壓力發生變化，閥芯的受力平衡狀態改變，驅動閥芯水平移動，打開開關閥的主閥口；隨著閥芯水平移動，高低壓孔與螺旋槽的重疊面積也隨之發生改變，當高低壓孔與螺旋槽的接觸面積相等時，閥芯受力恢復平衡狀態，此時主閥閥口已經打開.

通過旋轉閥芯改變敏感腔內的壓力，進而改變閥芯的受力平衡，通過液壓力驅動閥芯水平移動，最后打開主閥閥口.主閥閥芯通過液壓力驅動打開，與傳統的MOOG公司等的噴嘴擋板先導閥控制功率級滑閥結構是類似的，可以減少主閥芯的“卡死”.與傳統大流量開關閥相比，新型大流量開關閥先導級和功率級一體化的結構可以大幅度降低開關閥的質量；且由于敏感腔的容積很小，使用非常少的先導油液就可以控制敏感腔內的壓力，先導流量也有所降低，本方案中的大流量開關閥由步進電機驅動旋轉.

圖1 大流量開關閥工作原理結構Fig.1 The structure of high-flow rate on and off valve

圖2 大流量數字開關閥設計圖Fig.2 High-flow rate on and off valve

2 理論研究

2.1 數學模型

在對2D大流量開關閥結構進行分析的基礎上，運用運動電機學和流體動力學理論對其進行建模，本方案中閥芯的旋轉運動由步進電機和撥叉撥桿傳動機構組成.因此，數學模型包括步進電機的數學模型和閥芯閥套組成的數學模型.

電機兩相電壓方程為

(1)

(2)

式中：ua，ub為A，B相繞組電壓；ia，ib為A，B相繞組電流；R為繞組電阻；L為電感系數；ke為電樞繞組的反電動勢系數；Zn為電機齒數；θ為電機轉子角位移.

電機的電磁轉矩方程為

Te=TmsinZn(θm-θ)

(3)

式中：Te為電機電磁轉矩；Tm為繞組產生的牽引力矩的峰值.

電機轉子的動力學方程為

(4)

式中：J為轉子及閥芯折算到轉子上的轉動慣量；Bc為電機的摩擦阻尼系數；TD為負載轉矩；KL為電機定位彈簧剛度.

根據流量連續性，并忽略縫隙泄露流量，可得敏感腔流量公式為

(5)

式中：q1為流入敏感腔的流量；q2為流出敏感腔的流量；pc為敏感腔的壓力；A為敏感腔的閥芯有效作用面積；Vc為敏感腔的體積，Vc=(L0+xv)A；L0為敏感腔的初始長度.

其中，流入敏感腔的流量q1可表示為

(6)

式中：A1為高壓小孔和螺旋槽相交部分的面積，A1由高壓小孔和螺旋槽之間的位置關系決定，如圖3所示.

圖3 螺旋槽與高低壓孔的位置關系Fig.3 The relation between spiral groove and high-low pressure hole

弓高h變動范圍為0

式中w為滿弓型導控結構的導控面積梯度.

由于閥芯的輸入轉角較小，可用矩形面積近似代替實際相交面積，在閥芯軸向運動過程中，A1與螺旋槽升角β和閥芯軸向位移xv關系式為

A1=w·h=w(h0+Rθsinβ-xvcosβ)

在先導控制壓力的作用下，根據動力學平衡原理，閥芯的力平衡方程為

(7)

式中：m為折算到閥芯上的總質量；Bp為折算到閥芯上的總粘性系數；Kf為穩態液動力引起的穩態液動力剛度；Km為閥芯復位彈簧剛度；FL為傳動機構折算到閥芯上的作用力.

式(1～7)構成2D大流量開關閥的數學模型.

2.2 仿真分析

建立數學模型后，在Matlab平臺上應用四階龍格—庫塔數值算法編制仿真程序，求解由式(1～7)組成的微分方程組，分析閥芯的階躍響應過程.2D開關閥采用FL57STH76-2804A步進電機，電機和閥的結構參數見表1.

表1 電機和閥的結構參數Table 1 Parameter of motor and valve

圖4(a)為流量和閥芯軸向位移(閥口開度)之間的關系，在工作壓力為7 MPa、閥口開度為0.3 mm時，流量為100 L/min左右.

圖4(b)為閥芯軸向位移的階躍響應特性，閥芯軸向位移達到滿量程位移90%的時間約為13 ms.由曲線看出：閥芯運動過程不存在振蕩，這是由于敏感腔體積小，液壓固有頻率高的原因.響應時間隨壓力的增大而減小，壓力從5 MPa至20 MPa變化，階躍響應時間均不超過15 ms，從曲線的變化趨勢可以看出，壓力由5 MPa增大至10 MPa時，響應時間約減小了5 ms，而壓力由10 MPa增大至15 MPa時，響應時間僅僅減小了約1.6 ms.

導控面積梯度對階躍響應的作用如圖4(c)所示，階躍響應速度隨著面積梯度的增大而加快，w為10 mm的響應時間約等于6 mm的一半，同樣，隨著面積梯度的進一步增大，對進一步提高響應速度的效果減弱.

圖4 階躍響應Fig.4 Step response of valve

3 實驗結果與分析

3.1 實驗方案

測試方案如圖5(a)所示，包括液壓加載系統(圖5中未畫出)，信號發生器(型號：Agilent 33250A)發出單位階躍控制信號，記憶示波器(型號：Agilent DSO6014A)記錄實驗數據，如閥芯位移信號(通過日本KEYENCE激光位移傳感器LK-GD500直接照射閥芯測量得出)，流量計輸出的流量信號以及電機轉子角位移信號(該信號由固定在電機轉子上的角位移傳感器AS5045芯片檢測出).在指令信號作用下，控制器完成對步進電機的控制，測試設備如圖5(b)所示.

圖5 開關閥特性測試系統Fig.5 Experimental system of characteristics

3.2 實驗結果

3.2.1 流量特性

圖6 空載流量特性Fig.6 Characteristics of zero load flow-rate

3.2.2 階躍響應特性

圖7(a，b)分別為在3 MPa工作壓力下的階躍響應曲線：圖7(a)顯示閥芯位移2.7 mm時間約17 ms；圖7(b)顯示閥芯位移4.5 mm時間約17.7 ms，隨著位移的增大，振蕩現象加劇；圖7(c)圖是在7 MPa工作壓力下的響應曲線，在位移減小至0.4 mm時，響應時間縮短到10 ms，但存在小幅度的振蕩現象，這是輸入信號抖動引起的.

圖7 階躍響應實驗結果Fig.7 Experimental results of step response

4 結 論

2D大流量數字開關閥的性能取決于閥的機械結構、步進電機及其控制器.在機械結構上，根據兩自由度的設計思想，由閥芯轉動形成二級閥的導控級，閥芯軸向運動作為功率級，結構簡單，響應速度快，流量大.步進電機的輸出角位移連續可控，能實現精確定位和快速響應.其輸出流量與閥芯位移基本保持線性關系，壓力為3 MPa，閥芯位移為0.25 mm時的空載流量達到123.3 L/min，根據測試結果推導出，壓力為28 MPa，閥芯位移0.867 mm時，空載流量達800 L/min.開關閥的階躍響應時間約為15 ms，影響開關閥響應速度的主要因素是系統工作壓力和閥芯的導控級面積梯度w.試驗結果表明：在工作壓力3 MPa，對應2.7 mm閥芯位移的階躍信號作用下，階躍響應時間約為17 ms，工作壓力7 MPa，對應0.4 mm閥芯位移，響應時間約為10 ms.

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(責任編輯：朱小惠)

A new kind of digital on-off valve with high flow rate

JIA Wenang, RUAN Jian
(MOE Key Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The large flow-rate on-off valve is generally based on multi-level pilot structure with large mass, large pilot and zero-point flow rate. The 2D digital flow valve with the integration of large flow rate and small mass is put forward based on 2D spiral servo structure in this paper. In 2D digital flow valve, the rotary of the spool is converted to axial movement of the spool using spiral servo structure to achieve two stage hydraulic power’s amplification without pilot valve. Its mathematic model is developed based on the analysis of the principle of 2D digital valve and theory of fluid dynamics; the simulation program is designed in the MATLAB platform using the Runge Kutta numerical algorithm; finally experimental platform is established to validate the theory analysis. Theoretical and experimental results show that the 2D digital valve with good flow characteristics, the flow rate reaches 123.3 L/min while the work pressure is 3 MPa and the spool displacement is 0.25 mm; the flow rate reaches 106.9 L/min while the working pressure is 7 MPa and the spool displacement is 0.2 mm.

digital on-off valve; large flow rate; two dimensional

2016-06-30

浙江省自然科學基金資助項目(LY15E050018)

賈文昂(1982—)，男，浙江東陽人，講師，博士，研究方向為流體傳動與控制，E-mail：jiawenang@zjut.edu.cn.

TH137

A

1006-4303(2017)02-0137-05