壓力平衡氣動比例閥設計與試驗研究

郭大勇，司國雷，唐兵

(四川航天烽火伺服控制技術有限公司，四川成都 611130)

0 前言

氣動比例閥作為電磁閥的一種，具有無級流量調節、結構簡單、綠色無污染、易于維護、成本較低等特點[1-3]，在現實生活中特別是醫療行業有廣泛應用[4]。但目前市面上的氣動閥為了保證密封的可靠性多為帶背壓的，即閥芯受力是不平衡的，這樣閥芯在打開時會受到氣壓力作用，在氣動比例閥設計時就需要考慮氣壓突變力的存在，給氣動比例閥的設計帶來困難。

另一方面，通過檢索文獻，目前國內研究較多的是比例電磁鐵，目的在于獲得平穩的電磁力，提高比例電磁鐵的有效工作行程。但比例電磁鐵的研究只是實現比例閥比例調節的一部分，比例閥要實現比例調節還需要考慮閥芯在運動過程中的動態平衡，這就要求比例閥的閥芯受力要盡可能簡單，通過控制負載力與電磁力的平衡，實現比例閥流量的連續調節。

所以本文作者一方面設計出壓力平衡式氣動閥結構，簡化閥芯受力，這樣在比例閥設計中只需考慮電磁力和彈簧力平衡即可。另一方面優化電磁鐵結構，通過改變磁路使電磁力實現平穩變化，即電磁力隨閥芯位移的變化幅度要小，這樣在不同電壓控制下，電磁力的變化范圍才會小，與電磁力平衡的彈簧力才會控制在有限區間，保證復位彈簧容易設計。

在得到穩定的電磁力后，彈簧的設計只需匹配不同電壓下的電磁力值來實現動態平衡，這樣彈簧力就會被分段控制在不同電壓區間，根據分段電磁力值來得到復位彈簧結構，最終實現比例閥在不同電壓下流量的連續輸出。

現將壓力平衡氣動比例閥設計步驟作簡單介紹，其中氣動比例閥技術指標如下：(1)閥口通徑4.6 mm；(2)通路數為二位二通；(3)負載壓力0.7 MPa；(4)控制電壓6 V；(5)線圈電阻：≥14.4 Ω；(6)功耗：≤2.4 W；(7)流量：≥180 L/min；(8)外形尺寸：≤φ16.6 mm×40 mm。

1 結構及工作原理

為了實現氣動比例閥低功耗要求，設計的氣動比例閥采用壓力平衡式結構，動閥芯在工作過程中受到的氣壓力平衡，這樣電磁力只需克服彈簧力，從而降低控制電壓和電流。設計的氣動比例閥結構如圖1所示。

圖1 壓力平衡式氣動比例閥結構

如圖1所示，氣動比例閥主要由端蓋、密封圈、線圈組件、導向筒上段、導向筒下段、密封膜片組件、定位套、進氣套、動閥芯組件、隔磁環、復位彈簧和外殼組成。工作過程為：當比例閥通電后，隨著電磁力的不斷增加，當電磁力大于彈簧預緊力時，動閥芯開始運動；隨著動閥芯的移動，彈簧不斷壓縮，彈簧力不斷增大；當彈簧力等于電磁力時，動閥芯處于某個平衡位置；繼續增大電流，電磁力不斷增加，動閥芯繼續移動，直至達到新的平衡狀態，從而實現比例閥開度的調節；在關閉過程中隨著電流的降低，電磁力不斷降低，彈簧慢慢復位，當電磁力等于彈簧力時，動閥芯處于某個平衡位置，繼續降低電流，直至比例閥關閉。

2 氣動比例閥結構設計

2.1 動閥芯結構尺寸確定

氣動比例閥的工作介質是空氣，入口壓力0.7 MPa，流量不小于180 L/min，根據氣動比例閥閥口結構，建立閥口部分AMESim仿真模型如圖2所示。

通過AMESim仿真可以確定比例閥閥口結構尺寸為：進氣套孔口直徑4.6 mm，閥座直徑5.6 mm，動閥芯直徑4.6 mm，閥芯行程0.26 mm。

圖2 比例閥閥口結構AMESim仿真模型

2.2 線圈組件設計

根據文獻[5-7]可推導出線圈組件計算的相關公式如下：

bxq=(Dw-dn)/2

(1)

(2)

S=bxqhxq

(3)

(4)

(5)

P=UI

(6)

式中：bxq為線圈寬度，mm；Dw為線圈外徑，mm；dn為線圈內徑，mm；Rxq為線圈電阻，Ω；ρx為導線電阻率，Ω·mm2/m；α為線徑系數，1.144 4；N為線圈匝數；hxq為線圈高度，mm；S為線圈截面積，mm2；d為漆包線直徑，mm；IN為線圈安匝數；U為線圈電壓，V；P為線圈功耗，W；I為線圈電流，A。

根據比例閥外形尺寸不大于φ16.6 mm×40 mm，控制電壓U=6 V，線圈電阻Rxq≥14.4 Ω，線圈功耗P≤2.4 W，初步設定線圈外徑Dw=12 mm，線圈內徑dn=6.6 mm，線圈高度hxq=14 mm，通過公式(1)—(6)可計算出漆包線直徑d=0.18 mm，線圈匝數N=850匝，IN=312安·匝，線圈功耗P=2.2 W。

2.3 密封膜片有效直徑計算

密封膜片在壓力差的作用下傳遞的力一部分被固定膜片的機械裝置平衡，另一部分才是膜片輸出的有效作用力，因此，膜片的有效面積可以理解為在壓力差作用下產生的相當于有效作用力的“假想”當量面積，而不是膜片的全部面積。文中密封膜片的主要作用是平衡入口壓力，使動閥芯在工作過程中不受氣壓力的影響。根據文獻[8]，當膜片的工作位移不大于5%D1時，膜片的有效面積按公式(7)計算：

(7)

如圖1所示：D1為固定膜片壓環的內徑，D=3 mm為固定壓環連接柱的直徑，D2=4.6 mm(與比例閥進氣口直徑相同，用來平衡進口壓力)。通過公式可以確定D1=6.3 mm時，動閥芯組件能夠實現壓力平衡。

2.4 隔磁環有效參數確定

比例電磁鐵與普通電磁鐵的本質區別在于比例電磁鐵能夠輸出穩定的行程力特性。決定這一特性的關鍵在于比例電磁鐵中增加了隔磁環結構，其中隔磁環參數對電磁力將產生重要影響[9-13]。

當給比例電磁鐵通電時，會產生兩條閉合的磁路φ1和φ2，如圖3所示。其中φ1經過外殼、動閥芯和端蓋構成閉合磁路，對動閥芯產生軸向力F1；φ2經過外殼、導向筒上段并繞過隔磁環，通過動閥芯和端蓋構成閉合磁路，對動閥芯產生附加軸向力F2，F1和F2的合力就是最終動閥芯所受的電磁力F。

對比例電磁鐵進行Maxwell有限元仿真研究，由于比例電磁閥為軸對稱模型，因此建立其模型的一半，提高計算速度[14]，如圖3所示。設置邊界條件為氣球邊界條件[15]，端蓋、導向筒下段、導向筒上段、動閥芯、外殼的材料設置為DT4，勵磁線圈和隔磁環的材料為Cu。

隔磁環參數設置如圖4所示，隔磁環起始位置為ABCD，AD與豎直方向的夾角為θ1，BC與豎直方向的夾角為θ2，AB為隔磁環長度h，隔磁環沿豎直方向移動到新的位置A′B′C′D′，移動距離為Δh，向上為正，向下為負。在起始位置點B的位置與動閥芯吸合前平齊，AB=CD=h=1 mm，θ1=θ2=90°，Δh=0 mm。

圖4 隔磁環示意

2.4.1θ2=30°不同Δh電磁力變化

設定θ2=30°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數為初始參數值，得到電磁力-位移曲線如圖5所示。

圖5 θ2=30°不同Δh電磁力變化曲線

從圖5可以看出：當θ2=30°時，隨著隔磁環位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環位置的上移，工作氣隙處的磁感應強度降低(如圖6所示)，但水平度(Δy/Δx)越來越好，在Δh=0.2 mm(Δy/Δx=54.15)和Δh=0.4 mm(Δy/Δx=53.26)處水平度接近，但Δh=0.2 mm處電磁力更大，因此優先選擇Δh=0.2 mm位置。

圖6 θ2=30°不同Δh工作氣隙處磁感應強度變化曲線

2.4.2θ2=60°不同Δh電磁力變化

設定θ2=60°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數為初始參數值，得到電磁力-位移曲線如圖7所示。

圖7 θ2=60°不同Δh電磁力變化曲線

從圖7可以看出：當θ2=60°時，隨著隔磁環位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環位置的上移，工作氣隙處的磁感應強度降低。但水平度越來越好，在Δh=0.2 mm和Δh=0.4 mm處水平度基本一致，但Δh=0.2 mm處電磁力更大，因此優先選擇Δh=0.2 mm位置。

2.4.3θ2=90°不同Δh電磁力變化

設定θ2=90°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數為初始參數值，得到電磁力-位移曲線如圖8所示。

從圖8可以看出：當θ2=90°時，隨著隔磁環位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環位置的上移，工作氣隙處的磁感應強度降低。但水平度越來越好，在Δh=0.2 mm和Δh=0.4 mm處水平度基本一致，但Δh=0.2 mm處電磁力更大，因此優先選擇Δh=0.2 mm位置。

2.4.4 Δh=0.2 mm不同θ2電磁力變化

通過第2.4.1、2.4.2和2.4.3節仿真發現，當θ2不同時，在Δh=0.2 mm處電磁力-位移曲線均表現出良好的水平特性，通過對比得到圖9的仿真結果。

從圖9可以看出：當Δh=0.2 mm時，隨著θ2的增大，電磁鐵的電磁力降低，且θ2=60°時，電磁力-位移曲線的水平度最好，因此選擇隔磁環參數θ2=60°、Δh=0.2 mm。

圖9 Δh=0.2 mm不同θ2電磁力變化曲線

2.4.5θ2=60°、Δh=0.2 mm不同θ1電磁力變化

通過第2.4.4節確定隔磁環的首選參數是θ2=60°、Δh=0.2 mm，當θ1=30°、60°、90°，其余參數為初始參數值，電磁力變化曲線如圖10所示。

圖10 θ2=60°、Δh=0.2 mm不同θ1電磁力變化曲線

從圖10可以看出：θ2=60°，Δh=0.2 mm，當θ1=30°、60°、90°時，電磁力-位移曲線幾乎重合，因此θ1對電磁力的大小及水平度影響不大。從加工難易角度考慮取θ1=90°。

2.4.6θ2=60°、Δh=0.2 mm不同h電磁力變化曲線

通過前幾節仿真確定隔磁環參數為θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°，當h=1、1.5、2、2.5 mm時電磁力變化曲線如圖11所示。

圖11 θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°不同h電磁力變化曲線

從圖11可以看出：當θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°時，隨著h的增大，電磁鐵的電磁力降低，因此選擇h=1 mm。

通過對隔磁環參數的仿真分析，最終確定隔磁環參數為θ2=60°，Δh=0.2 mm，θ1=90°，h=1 mm。

2.5 復位彈簧設計

彈簧是比例閥中關鍵部件，它與一般電磁閥中彈簧的設計有較大區別，其性能設計要考慮預緊力的大小、自由長度、外徑、簧絲直徑、電磁力、氣壓力、摩擦力等因素相匹配，其性能好壞直接影響比例閥的線性度[12]。在此研究中，由于動閥芯受到的氣壓力平衡，因此工作過程中彈簧力主要用來平衡電磁力。當控制電壓在1～6 V內變化時，電磁力變化曲線如圖12所示。

圖12 不同控制電壓電磁力變化曲線

從圖12可以看出：當控制電壓在1～6 V內變化時，電磁力均表現出良好的水平特性，說明隔磁環的參數設計合理。當控制電壓在1～6 V內變化時，電磁力的變化范圍是0.42～23.82 N，所需的彈簧力需在該范圍內進行匹配，保證與電磁力平衡，這樣才能保證比例閥實現比例特性。因此設計的彈簧力需滿足表1的要求。

表1 比例閥彈簧力設計要求

通過Autodesk Inventor軟件對彈簧進行設計，界面如圖13所示。

圖13 彈簧設計參數

最終得到的復位彈簧參數如圖14所示。

圖14 復位彈簧參數

3 試驗研究

根據氣動比例閥技術條件，通過仿真設計確定了比例閥的基本結構，現對比例閥的輸出流量特性進行試驗，看隨著電壓的變化流量是否會連續變化。其中試驗檢測裝置如圖15所示。

圖15 氣動比例閥流量測試裝置及產品

試驗檢測結果如圖16所示。

圖16 氣動比例閥流量特性曲線

從圖16可以看出：隨著控制電壓的增大，電磁力不斷增大，當控制電壓大于2.5 V時，電磁力克服彈簧預緊力，閥芯開始運動，出口有流量輸出，隨著控制電壓繼續增大，閥出口流量也連續地成比例增大；當控制電壓從6 V逐漸減小時，閥出口流量也連續地成比例減小，在控制電壓小于2.5 V時，閥芯在復位彈簧預緊力的作用下復位。由于電磁鐵本身的滯環以及在運動過程中彈簧力、摩擦力的影響，輸出流量隨控制電壓的增長下降并非呈線性關系，相同的控制電壓在電信號遞增以及遞減的過程中對應的輸出流量不同，從試驗結果看就是比例閥在打開關閉過程中流量曲線不重合。

4 結論

比例閥與電磁閥最大的不同之處在于能夠實現流量的連續調節，這也是比例閥與電磁閥設計中的不同之處：要求電磁鐵輸出的電磁力水平度要好；另一方面，電磁力能夠與彈簧力、氣壓力實現動態平衡。通過文中研究形成以下成果：

(1)根據氣動比例閥結構建立閥口的AMESim仿真模型，通過入口壓力和流量大小確定了閥口的結構尺寸；

(2)根據控制電壓、線圈功耗要求，通過線圈組件計算公式確定了線圈組件的結構參數；

(3)通過增加密封膜片使氣動比例閥閥芯受力平衡，這樣閥芯在運動過程中將只受電磁力和彈簧力作用，更容易實現動態平衡，并通過公式確定了密封膜片固定結構的有效面積大小；

(4)為了使電磁鐵輸出的電磁力水平度好，通過Maxwell對隔磁環進行了參數化仿真研究，最終確定實現電磁力輸出水平度好的隔磁環參數為：θ2=60°，Δh=0.2 mm，θ1=90°，h=1 mm；

(5)為了使比例閥的流量實現連續變化，需要電磁力與彈簧力實現動態平衡，通過計算電磁鐵在不同控制電壓下電磁力變化確定了彈簧力的取值范圍，并通過Autodesk Inventor軟件確定了彈簧參數；

(6)通過試驗對氣動比例閥的電壓-流量特性進行研究，試驗結果表明在不同控制電壓下，氣動閥輸出流量能夠實現連續變化，滿足比例閥的性能要求。