高壓電磁閥多閥體相差流量調(diào)節(jié)技術(shù)研究

袁圓，李小寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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高壓電磁閥多閥體相差流量調(diào)節(jié)技術(shù)研究

袁圓，李小寧

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：高壓先導(dǎo)式電磁開(kāi)關(guān)閥為了實(shí)現(xiàn)大流量輸出，通常要增大主閥芯的直徑，也相應(yīng)地需要增加導(dǎo)閥和電磁鐵的尺寸，這使得先導(dǎo)閥和主閥的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，難以達(dá)到快速性的要求。提出了一種新的技術(shù)方法，可實(shí)現(xiàn)快速的大流量輸出。其基本原理是采用多個(gè)能快速響應(yīng)的小流量電磁閥，通過(guò)對(duì)每個(gè)閥進(jìn)行開(kāi)啟的相位控制，使總的輸出流量既能達(dá)到大流量需求，又能達(dá)到單個(gè)閥所具有的快速響應(yīng)性，同時(shí)，還可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)流量的擬線性調(diào)節(jié)。介紹了相應(yīng)的相位差控制模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明該方法是有效可行的，為高壓氣動(dòng)控制系統(tǒng)中負(fù)載速度的控制提供了一種新的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞：高壓電磁閥；瞬時(shí)輸出流量；相差調(diào)節(jié)

0前言

高壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很重要很迫切的一種實(shí)際需求就是：希望瞬時(shí)輸出大流量，驅(qū)動(dòng)負(fù)載短時(shí)(例如在300ms以?xún)?nèi))加速到期望的高速度；此外根據(jù)不同情況，對(duì)負(fù)載速度能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。這就要求電磁閥具備快速大流量輸出能力并能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)流量的可調(diào)。

對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高壓電磁閥來(lái)說(shuō)，如果要增大輸出流量，通常要增大主閥芯的直徑，也相應(yīng)地需要增加導(dǎo)閥和電磁鐵的尺寸，這使得先導(dǎo)閥和主閥的響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，難以達(dá)到快速性的要求。文獻(xiàn)[1]中描述的一種型號(hào)為2W500-50高壓大通徑電磁閥，工作壓力可達(dá)15MPa，雖然最大輸出流量可達(dá)500L/min，但響應(yīng)時(shí)間隨著流量孔徑的增大而增加到6s。因此，采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式電磁閥難以兼顧大流量和快速性的要求，也難以在達(dá)到大流量和快速要求的條件下，實(shí)現(xiàn)流量的可調(diào)節(jié)。

目前在氣動(dòng)閥上也有采用電-氣比例流量控制和脈寬調(diào)制(PWM)方式的流量調(diào)節(jié)方法，該調(diào)節(jié)方法主要是用于控制閥在動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)束后的穩(wěn)態(tài)輸出流量，并不適用于工作在動(dòng)態(tài)輸出過(guò)程中要求具有流量調(diào)節(jié)的情形[2,3]。

為了實(shí)現(xiàn)高壓氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要技術(shù)需求，克服傳統(tǒng)高壓電磁閥因傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的固有性能缺陷，文中提出了一種新的方法，稱(chēng)為多閥體相差流量調(diào)節(jié)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速的大流量輸出和在此條件下的流量可調(diào)。下面將分別介紹其技術(shù)原理、理論建模和試驗(yàn)結(jié)果。

1多閥體相差流量調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型

1.1　高壓電磁閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

高壓電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1所示，該閥為常閉、開(kāi)關(guān)型兩位兩通先導(dǎo)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(dòng)先導(dǎo)閥芯向上抬起，此時(shí)先導(dǎo)閥口打開(kāi)，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?chē)纬上赂呱系偷膲翰?。下腔的氣體壓力推動(dòng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，主閥口打開(kāi)，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(dǎo)閥壓緊在排氣口上，先導(dǎo)閥口關(guān)閉，入口處的壓縮氣體通過(guò)旁通孔迅速進(jìn)入閥門(mén)并充滿閥芯上腔，在閥芯周?chē)纬缮细呦碌偷膲翰?，上腔的氣體壓力推動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，主閥口關(guān)閉。

圖1　高壓電磁閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2　高壓電磁閥的輸出流量

假定高壓電磁閥的工作過(guò)程滿足的基本條件是：各腔室內(nèi)氣體均為理想氣體；壓縮空氣在管道系統(tǒng)中作定常流動(dòng)，且與外界無(wú)熱交換，即熱力學(xué)過(guò)程為等熵過(guò)程(可逆絕熱過(guò)程)；系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，各腔室以及管道中的氣體流失忽略不計(jì)；電磁鐵通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(guò)的截面積，m2；

P1、P2——節(jié)流口的上下游壓力，Pa；

T1——節(jié)流口的上游溫度，K；

Cd——流量系數(shù)；

R——干空氣氣體常數(shù)，R=287.1 J/(kg×K)；

1.3　流量調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和基本原理

從式(1)中可以看出，在節(jié)流口上下游壓力、流量系

數(shù)、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(guò)的有效截面積A有關(guān)。以閥1為基準(zhǔn)，設(shè)閥2相對(duì)于閥1的開(kāi)啟時(shí)間滯后一個(gè)相位φ1，閥3相對(duì)于閥1開(kāi)啟滯后一個(gè)相位φ2，滿足以下關(guān)系：

(2)

式(2)中Δt1、Δt2分別為閥2相對(duì)于閥1、閥3相對(duì)于閥2的延時(shí)，假設(shè)三個(gè)閥具有完全一致的動(dòng)態(tài)特性，閥芯開(kāi)啟過(guò)程的速度可以表示為t的函數(shù)，即v(t)，則閥1、閥2、閥3的閥芯位移分別為：

(3)

(4)

(5)

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

圖2　過(guò)流截面積的簡(jiǎn)化示意圖

圖中D為通孔半徑，O為圓心，θ為圓心角弧度數(shù)，則每個(gè)電磁閥芯的過(guò)流截面積為：

(6)

并聯(lián)回路中的有效截面積為每個(gè)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(dòng)回路中輸出流量的調(diào)節(jié)，需要控制閥按一定相位(φ1,φ2)延時(shí)開(kāi)啟，所以輸出流量Qm是關(guān)于相位(φ1,φ2)的函數(shù)，將式(3)-式(6)代入式(1)，得到輸出流量的表達(dá)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(shí)刻點(diǎn)Tw獲得其最大流量Qmmax；如果取φ1=∞，φ2=∞(即閥2和閥3不開(kāi)啟)，則可以在工作時(shí)刻點(diǎn)Tw獲得一個(gè)最小流量Qmmin。如果選取不同的相位差φ1、φ2，則有望在工作時(shí)刻點(diǎn)Tw獲得一個(gè)擬線性的流量變化，從而使所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載在該時(shí)刻點(diǎn)具備不同的發(fā)射速度。如圖3所示，在工作時(shí)刻點(diǎn)Tw，有最大流量Qa和最小流量Qd，通過(guò)控制相位(φ1,φ2)延時(shí)開(kāi)啟，有Qd

圖3　原理示意圖

2實(shí)驗(yàn)研究

2.1　實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)置

圖4給出了并聯(lián)多閥體工作的氣動(dòng)回路和測(cè)試原理圖。其中實(shí)線表示連接各氣動(dòng)元件的高壓管路，虛線表示各模擬信號(hào)輸入、輸出回路。它的工作原理為：壓縮氣體經(jīng)過(guò)干燥器并通過(guò)減壓閥將較高的輸入壓力降低到所需壓力的數(shù)值，通過(guò)儲(chǔ)氣罐以穩(wěn)定壓縮氣體的輸入壓力，打開(kāi)手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，使氣體流入高壓電磁閥的各腔室，利用Labview軟件編寫(xiě)的控制程序，設(shè)置調(diào)節(jié)參數(shù)。運(yùn)行后通過(guò)PC機(jī)發(fā)出電信號(hào)，經(jīng)放大電路將5 V模擬輸出電壓擴(kuò)大到24 V，以驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)，壓縮氣體流經(jīng)電磁閥排入大氣；壓力和流量傳感器將采集到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬電壓信號(hào)，傳遞并儲(chǔ)存于PC機(jī)，以便于后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)原理

圖5　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

通過(guò)對(duì)于相差流量調(diào)節(jié)方法的理論分析，從式(7)中不難發(fā)現(xiàn)，輸出流量是一個(gè)關(guān)于時(shí)間t以及相位(φ1,φ2)的復(fù)雜表達(dá)式，難以直接獲得一個(gè)流量與時(shí)間的簡(jiǎn)潔解析表達(dá)式。為了簡(jiǎn)化控制模型，便于進(jìn)行控制，采用了一種在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化處理，即對(duì)閥的流量特性進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，獲得閥的流量隨時(shí)間的變化曲線，然后對(duì)流量曲線進(jìn)行多項(xiàng)式離散擬合，獲得一個(gè)流量與時(shí)間的解析表示，以此作為實(shí)際控制的依據(jù)。

a) 基于離散擬合式的控制模型

將輸入的氣源壓力調(diào)至1MPa，以閥1為基準(zhǔn)，利用流量傳感器測(cè)得閥1的輸出流量隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，輸出流量從零達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要500ms的時(shí)間，在閥開(kāi)啟的這段時(shí)間，通過(guò)控制閥2與閥3按一定相位(φ1,φ2)延時(shí)開(kāi)啟，在同一工作時(shí)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(wěn)定狀態(tài)，從而取0~500ms之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。利用Matlab擬合工具箱，選擇四次多項(xiàng)式擬合方式，得到輸出體積流量Q1隨時(shí)間t變化的表達(dá)式：

Q1(t)=a·t4+b·t3+c·t2+d·t

(8)

其中回歸系數(shù)為：

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

假設(shè)三個(gè)閥具有一致的動(dòng)態(tài)特性，則閥2、閥3的流量表達(dá)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(shí)刻Tw=300ms時(shí)，輸出流量為620.5L/min，即點(diǎn)A，可見(jiàn)閥在300ms時(shí)刻的瞬時(shí)輸出流量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的82.4%，已經(jīng)較好地利用了閥的工作能力，且這段時(shí)間的流量增加速度較快，為負(fù)載的快速驅(qū)動(dòng)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(shí)輸出流量Q之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由于不同的輸出流量所對(duì)應(yīng)相位(φ1,φ2)并不是唯一的，這就需要通過(guò)分析和研究獲得相對(duì)固定的相差參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。以簡(jiǎn)化控制過(guò)程，選擇以下調(diào)節(jié)方案：首先，令閥3處于關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)閥1和閥2的開(kāi)啟相差進(jìn)行調(diào)節(jié)，即在φ2的情況下，調(diào)節(jié)φ1；然后同時(shí)開(kāi)啟閥1和閥2，對(duì)閥3和閥1、2之間的開(kāi)啟相差進(jìn)行調(diào)節(jié)，即在φ1=0的情況下，調(diào)節(jié)φ2。該方案是通過(guò)分段控制依次實(shí)現(xiàn)最小流量到中間流量和中間流量到最大流量之間的調(diào)節(jié)。根據(jù)流量的疊加原理，將擬合系數(shù)代入，化簡(jiǎn)得到該調(diào)節(jié)方法下的瞬時(shí)輸出流量Q表達(dá)式為：

Q=

(11)

其中：

b) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)式(11)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得瞬時(shí)輸出流量Q與相位(φ1,φ2)相對(duì)應(yīng)的理論坐標(biāo)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)點(diǎn)，從而得到Q隨(φ1,φ2)的變化曲線，如圖5所示，其中相位數(shù)組Φ(φ1,φ2)的取值在表1中注明。從圖7中可以明顯看出，實(shí)驗(yàn)曲線與理論曲線上升趨勢(shì)基本吻合，雖然存在一定的偏差，但范圍很小，均在5%之內(nèi)。前8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的偏差較為明顯，且實(shí)驗(yàn)值均高于理論值，這是因?yàn)橥茖?dǎo)的理論公式是將三個(gè)閥看成是性能相同的，認(rèn)為其具有一致的靜動(dòng)態(tài)特性，并以閥1的流量特性為基準(zhǔn)，進(jìn)行公式推導(dǎo)。但實(shí)際上三個(gè)閥的流量特性略有差異，測(cè)得的閥2、閥3輸出流量略高于閥1。但流量誤差的數(shù)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(shí)輸出流量-相位數(shù)組

表1　相位數(shù)組φ

3采用相差流量調(diào)節(jié)方法的負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

壓縮氣體的流量大小是影響氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置速度的主要影響因素，因此對(duì)于多閥體相差流量調(diào)節(jié)方法的實(shí)用效果驗(yàn)證需通過(guò)對(duì)于某負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1　負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)是在高壓的特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的高速運(yùn)動(dòng)，選用LGC70/140-1系列氣缸作為執(zhí)行元件，在之前所搭建的流量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，將原先直接連接到大氣的三個(gè)高壓電磁閥總管路的輸出端接入氣缸的進(jìn)氣端，并在缸桿末端裝有25 kg的質(zhì)量塊，如圖8所示。利用激光位移傳感器對(duì)負(fù)載運(yùn)行過(guò)程的位移變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)Labview軟件編寫(xiě)的控制程序?qū)⑾嗖盍髁空{(diào)節(jié)的控制模型應(yīng)用到該負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行速度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)。

圖8　負(fù)載驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由于負(fù)載的驅(qū)動(dòng)速度需求在活塞運(yùn)動(dòng)到0.6m時(shí)，其發(fā)射速度要達(dá)到最大，在取相位差φ1=0，φ2=0(即閥1、2、3同時(shí)開(kāi)啟)，有最大發(fā)射速度，對(duì)應(yīng)的工作時(shí)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(wěn)定在1MPa，以0.6m位置處的速度作為被控對(duì)象，測(cè)得速度v隨相位數(shù)組φ的變化曲線如圖9所示，對(duì)應(yīng)的相位數(shù)組φ(φ1,φ2)同表1。

圖9　速度-相位數(shù)組

結(jié)合圖9和表1，不難發(fā)現(xiàn)，負(fù)載的驅(qū)動(dòng)速度在取相位差φ1=0，φ2=0，可以在所需發(fā)射位置處(即行程為0.6m)的發(fā)射速度達(dá)到最大，有vA=4.053m/s；在相位差φ1=∞，φ2=∞時(shí)，有最小的發(fā)射速度vB=2.303m/s。其間根據(jù)相差流量控制模型選取不同的相位差，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)速度從最大調(diào)至最小。因此該流量調(diào)節(jié)方法不僅可以使負(fù)載驅(qū)動(dòng)在所需的工作時(shí)刻達(dá)到高發(fā)射速度的要求，也可對(duì)其負(fù)載驅(qū)動(dòng)進(jìn)行多級(jí)調(diào)速，已滿足不同負(fù)載類(lèi)型或不同外部環(huán)境條件下對(duì)于發(fā)射速度的不同要求。

4結(jié)論

針對(duì)高壓先導(dǎo)式電磁開(kāi)關(guān)閥的輸出流量與響應(yīng)速度之間存在矛盾的問(wèn)題，提出以快速響應(yīng)的多個(gè)小流量電磁閥為基礎(chǔ)，構(gòu)建了多閥體相差流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，

以工作時(shí)刻Tw=300ms的瞬時(shí)輸出流量為控制目標(biāo)，相位差(φ1,φ2)作為調(diào)節(jié)變量，控制三個(gè)并聯(lián)的相同閥按一定相位差(φ1,φ2)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)在預(yù)定工作時(shí)刻(執(zhí)行氣缸的預(yù)定工作位置)的流量可調(diào)和負(fù)載發(fā)射速度可調(diào)。

利用離散擬合方法建立了理論控制模型，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制模型的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在同一工作時(shí)刻Tw=300ms，在取相位差φ1=0，φ2=0(即閥1、2、3同時(shí)開(kāi)啟)，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)輸出流量和負(fù)載驅(qū)動(dòng)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(kāi)啟)，其瞬時(shí)輸出流量和負(fù)載驅(qū)動(dòng)速度均有最小值Qmin=620.5L/min，vB=2.303m/s；當(dāng)選取不同的相位差(φ1,φ2)時(shí)，閥的工作時(shí)間不同，從而對(duì)應(yīng)的流量Q和負(fù)載驅(qū)動(dòng)速度v也有所不同，且有Qmin

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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(lèi)號(hào)：TM642+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0159-05

作者簡(jiǎn)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(xué)習(xí)研究。