同軸式電液比例流量閥特性研究

王潔，陳先惠，劉峰

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110081;2. 上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司，上海201900)

電液比例控制閥(簡稱比例閥)可以通過改變輸入電信號(hào)的方法對液流參數(shù)進(jìn)行連續(xù)控制，具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能，易于實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，因而得到廣泛的應(yīng)用。比例閥相當(dāng)于用比例電磁鐵取代了普通開關(guān)型液壓閥的手動(dòng)調(diào)節(jié)裝置或普通電磁鐵［1］，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的連續(xù)控制。比例流量閥可以控制閥的輸出流量按比例連續(xù)地跟隨輸入信號(hào)的變化而變化。

流量閥是由減壓閥和節(jié)流閥組成，傳統(tǒng)流量閥的結(jié)構(gòu)是先減壓后節(jié)流，減壓閥和節(jié)流閥在空間呈90°角，工藝性較差，溫度對流量穩(wěn)定性影響較大［2］。同軸式電液比例流量閥采用先節(jié)流后減壓、節(jié)流閥與減壓閥同軸的結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)流量閥的不足，使其靜動(dòng)態(tài)性能得到提高。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圖1 為同軸式電液比例流量閥的結(jié)構(gòu)原理簡圖，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為:

(1)采用了先節(jié)流后減壓的串聯(lián)結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)調(diào)速閥的進(jìn)出口壓差變化較大時(shí)，減壓閥產(chǎn)生的油液溫升不會(huì)影響經(jīng)過節(jié)流閥的液流［3］，因此壓差變化引起的油溫變化對節(jié)流閥流量穩(wěn)定性的影響減小。

(2)采用節(jié)流閥和減壓閥同軸式，結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好。

(3)在減壓閥的閥芯上開設(shè)了環(huán)形槽，使穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力減小。

(4)節(jié)流閥閥口采用矩形窗口［4］，有效保證了閥的輸出流量與輸入電流的正比關(guān)系。

圖1 同軸式電液比例流量閥的結(jié)構(gòu)原理簡圖

2 靜特性分析

符號(hào)說明:

Q1、Q2分別為通過節(jié)流閥、減壓閥的流量;

p1、p2、p3分別為閥的入口、減壓閥入口和閥的出口壓力;

ω1、ω2分別為節(jié)流閥、減壓閥的濕周長;

Cd、ρ 分別為流量系數(shù)和油液密度;

x、y 分別為節(jié)流閥和減壓閥的位移量;

K2、y0分別為減壓閥的彈簧剛度和預(yù)壓縮量;

A、Fs分別為減壓閥閥芯有效面積和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力［5］。

(1)節(jié)流閥流量方程:

(2)減壓閥流量方程:

(3)減壓閥受力平衡方程:

(p1- p2)A + Fs= K2(y0+ y)

實(shí)測靜特性曲線如圖2—4 所示。

圖2 比例流量閥的穩(wěn)態(tài)控制特性曲線

圖3 比例流量閥的穩(wěn)態(tài)負(fù)載特性曲線

圖4 比例流量閥的溫度特性曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:線性度1.4%;輸出流量相對偏差最大為:2.53% /MPa;當(dāng)溫度從15 ℃升到55 ℃時(shí)，流量變化為1 L/min。

3 動(dòng)態(tài)特性分析

符號(hào)說明:

d0、l0、QD分別為阻尼孔的直徑、長度和流量;

V1、V3分別為節(jié)流閥處和敏感腔的容積;

p11為敏感腔內(nèi)的壓力;

m1、m2分別為節(jié)流閥和減壓閥的閥芯質(zhì)量;

B1、B2分別為節(jié)流閥和減壓閥的黏性阻尼系數(shù);

Fi、T 分別為比例電磁鐵的電磁吸力和時(shí)間常數(shù);

K1、x0分別為節(jié)流閥的彈簧剛度和預(yù)壓縮量;

μ、βe 分別為油液的動(dòng)力黏度和彈性模量;

ui、Kf分別為比例放大器的輸入電壓和電壓增益。

(1)節(jié)流閥流量方程:

(2)節(jié)流閥閥芯的力平衡方程

(3)減壓閥流量方程:

(4)減壓閥閥芯的力平衡方程

(5)阻尼孔流量

(6)流量連續(xù)性方程

(7)比例鐵的動(dòng)特性方程

將上面各式線性化并拉式變換得:

根據(jù)上面各式，得到方框圖如圖5。

經(jīng)MATLAB 仿真［6－7］，結(jié)果表明:階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為75 ms，－3 dB 的頻寬為6 Hz。圖6 為實(shí)測階躍響應(yīng)曲線，可見階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為80 ms，－3 dB 的頻寬為5.2 Hz。

圖6 實(shí)測階躍響應(yīng)曲線

4 靜動(dòng)態(tài)特性的改善

采用瞬態(tài)流量計(jì)［8］實(shí)現(xiàn)流量閉環(huán)反饋及前向通道PID 調(diào)節(jié)改善閥的靜動(dòng)態(tài)特性，圖7 為比例流量閥的閉環(huán)控制框圖。實(shí)測靜動(dòng)態(tài)特性曲線如圖3 和圖8所示。實(shí)測表明:輸出流量相對偏差最大為0.197% /MPa;階躍響應(yīng)的上升時(shí)間為42 ms，－3 dB 的頻寬為12 Hz。

圖7 比例流量閥的閉環(huán)控制框圖

圖8 改善后實(shí)測階躍響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

(1)同軸式比例流量閥結(jié)構(gòu)簡單合理，工藝性好，大大減少了溫度變化對流量變化的影響。

(2)該閥有較好的靜動(dòng)態(tài)特性，而且通過采用流量閉環(huán)反饋及前向通道PID 調(diào)節(jié)，使閥的靜動(dòng)態(tài)性能得到進(jìn)一步提高。

(3)理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，為閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

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