一種新型數(shù)字流量閥動態(tài)特性研究

豐健，王鶴，閻宇，劉晉沛，張曉宇

(太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室，山西太原 030024)

0 前言

隨著科技和時代的進步，現(xiàn)代工業(yè)也在飛速發(fā)展，電液數(shù)字控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛、冶金、工程機械等領(lǐng)域[1]。高速開關(guān)數(shù)字閥作為當(dāng)下數(shù)字液壓技術(shù)的研究熱點之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)較快、可靠性高等優(yōu)點[2]，是實現(xiàn)電液數(shù)字控制技術(shù)的關(guān)鍵元件之一[3]，具有廣闊的應(yīng)用前景，目前已成功應(yīng)用于汽車防抱死控制系統(tǒng)[4]和電控噴油系統(tǒng)[5]中。但是，高速開關(guān)閥流量小且不連續(xù)的缺點仍然存在，極大地限制了它的應(yīng)用。

為了解決高速開關(guān)閥流量小的問題，國內(nèi)外學(xué)者對電-機械轉(zhuǎn)換器和兩級數(shù)字流量閥做了大量研究。俞軍濤等[6]設(shè)計一種壓電直動式高速開關(guān)閥，采用壓電執(zhí)行器直接驅(qū)動錐閥式閥芯結(jié)構(gòu)，在壓力10 MPa下，輸出流量為17.4 L/min。石延平等[7]研究了一種以超磁致式高速開關(guān)閥為先導(dǎo)級、二通插裝式球閥為主級的大流量高速開關(guān)閥。Eaton公司設(shè)計了一款產(chǎn)品，采用二位三通高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥控制二通插裝錐閥，可以改變通過高速開關(guān)閥的流量，從而實現(xiàn)對錐閥流量的調(diào)節(jié)[8]。黃家海等[9-11]提出一種先導(dǎo)數(shù)字比例流量閥，其先導(dǎo)級為PWM信號控制的高速開關(guān)閥，主級為基于流量-位移反饋原理[12]的插裝閥，并對其動靜態(tài)性能進行了分析。以上研究高速開關(guān)閥均為球閥、錐閥或者滑閥，通過電-機轉(zhuǎn)換器驅(qū)動閥芯做往復(fù)運動來實現(xiàn)閥口的啟閉[13]，難以解決工作頻率和閥芯慣性、閥芯行程之間的矛盾，使得高速開關(guān)閥不能同時獲得高響應(yīng)速度和大流量。兩級數(shù)字流量閥以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)級控制主閥運動，雖然可以解決這一缺陷，但存在輸出流量不穩(wěn)定的問題，嚴(yán)重制約了高速開關(guān)閥的應(yīng)用。

針對這一情況，本文作者設(shè)計一種新型兩級數(shù)字流量閥，其先導(dǎo)級為閥芯旋轉(zhuǎn)式高速開關(guān)閥，主級為三位四通滑閥式結(jié)構(gòu)，通過電機驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)高速開關(guān)功能，突破電-機械轉(zhuǎn)換器功率和閥芯往復(fù)運動結(jié)構(gòu)原理對高速開關(guān)閥響應(yīng)速度和流量的制約，可同時獲得高響應(yīng)速度和大流量，并且較高的啟閉頻率可以顯著減小由先導(dǎo)閥流量脈動引起的主閥流量波動，提高輸出流量的穩(wěn)定性。基于新型閥的結(jié)構(gòu)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，利用AMESim軟件建立動態(tài)仿真模型研究影響其動態(tài)性能的因素，從參數(shù)優(yōu)化的角度提出提高閥芯動態(tài)響應(yīng)和流量輸出穩(wěn)定性的建議，為提升兩級流量數(shù)字閥輸出流量的穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)原理

數(shù)字流量閥的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由先導(dǎo)閥芯、先導(dǎo)閥套、先導(dǎo)閥體、主閥芯、主閥套、主閥體、左右端蓋、彈簧等組成。

圖1 數(shù)字流量閥結(jié)構(gòu)簡圖

先導(dǎo)閥閥芯有旋轉(zhuǎn)和軸向移動2個自由度，一端伺服電機驅(qū)動先導(dǎo)閥閥芯高速旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)閥口從開啟到關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，另一端步進電機驅(qū)動閥芯進行軸向運動使得閥芯實現(xiàn)換向。主閥結(jié)構(gòu)的主要特征是在閥芯兩端各增加了一個動閥套，動閥套上有一個矩形節(jié)流槽，閥套與閥體之間形成了控制容腔。其工作原理簡圖見圖2，當(dāng)先導(dǎo)閥芯在電機的驅(qū)動下向左運動并旋轉(zhuǎn)時，右端閥口打開，主閥右腔壓力降低，左腔仍為進口壓力；右側(cè)動閥套一端為節(jié)流后的壓力，一端為B口壓力。主閥芯和右端動閥套形成了一個具有面積差的閥芯，根據(jù)流量放大原理，主閥芯帶動閥套向右運動，而左端動閥套被限位無法移動。此時，主閥閥口打開，P與B通，A與T通。當(dāng)先導(dǎo)閥芯繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，先導(dǎo)閥口關(guān)閉，主閥左右兩腔壓力相等，閥芯在復(fù)位彈簧作用下向左運動，主閥閥口關(guān)閉。當(dāng)先導(dǎo)閥向右運動時，左端閥口打開，主閥芯帶動閥套向左運動。此時，P與A通，B與T通。

圖2 工作原理簡圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 先導(dǎo)閥的工作頻率

先導(dǎo)閥的工作頻率與閥芯上的溝槽數(shù)量和閥芯轉(zhuǎn)速有關(guān)，其表達式為

f=nZ/60

(1)

式中：Z為閥芯上的溝槽數(shù)量；n為閥芯旋轉(zhuǎn)速度。

由式(1)可以看出：提高先導(dǎo)閥工作頻率的方式有2種：(1)提高電機的轉(zhuǎn)速；(2)增加閥芯上的溝槽數(shù)量。當(dāng)閥芯上溝槽的數(shù)量為8并且電機的轉(zhuǎn)速達到3 000 r/min時，工作頻率可以達到400 Hz。

2.2 主閥數(shù)學(xué)模型

假設(shè)主閥閥芯向右運動，那么P與B接通，A與T接通，可以得到：

通過負載的流量方程：

qL=qx+qy

(2)

通過主閥的流量方程：

(3)

通過先導(dǎo)閥的流量方程：

(4)

通過控制節(jié)流口的流量方程：

(5)

控制腔的流量連續(xù)性方程：

(6)

主閥芯穩(wěn)態(tài)液動力方程：

Fsx=2CdCvwxxcosθ(pS-pB)

(7)

主閥芯運動微分方程：

(8)

式中：qL為負載流量；qx、qy、qc分別為主閥閥口、先導(dǎo)閥閥口、控制容腔流量；Cdx、Cdy、Cdc分別為主閥、先導(dǎo)閥、節(jié)流槽流量系數(shù)；wx、wy、wc分別為主閥、先導(dǎo)閥、節(jié)流槽面積增益；x、y分別為主閥、先導(dǎo)閥閥芯位移；xi為節(jié)流槽預(yù)開口量；pS為供油壓力；pB為B口壓力；pC為控制容腔壓力；AC為動閥套端面面積；CC為液容；α為面積比，α=AA/AC，其中AA為主閥芯端面面積；m為主閥質(zhì)量；B為主閥芯阻尼系數(shù)；k為主閥彈簧剛度。

2.3 主閥流量波動的數(shù)學(xué)模型

控制腔動態(tài)壓力變化方程[14]：

(9)

式中：E為體積彈性模量；VC為控制腔體積。

當(dāng)先導(dǎo)閥打開時，通過控制腔的流量減少，則：

Δq-=qy-qc

(10)

控制腔的壓力降低，則：

(11)

式中：θ為先導(dǎo)閥溝槽所對應(yīng)的圓心角；β為相鄰溝槽之間的中心角。

當(dāng)先導(dǎo)閥關(guān)閉時，通過控制腔的流量增加，則：

Δq+=qc

(12)

控制腔的壓力上升，則：

(13)

在一個周期內(nèi)，控制腔壓力圍繞某個值上下波動，因此

ΔpC-=ΔpC+

(14)

(15)

主閥靜力學(xué)平衡方程：

pB(AC-AA)+pSAA=pCAC+Fsx

(16)

對其取增量方程：

0=Δx·2CdCvwxcosθ(pS-pB)+ΔpC·AC

(17)

可得：

(18)

所以主閥流量波動為

(19)

3 仿真模型

在仿真軟件AMESim中根據(jù)閥的數(shù)學(xué)模型和整體結(jié)構(gòu)，利用AMESim中的信號庫、液壓庫和液壓元件庫，建立數(shù)字流量閥的動態(tài)仿真模型，如圖3所示。

圖3 AMESim仿真模型

雖然AMESim中沒有轉(zhuǎn)閥的模型，但是可以用滑閥來代替。滑閥和轉(zhuǎn)閥的區(qū)別在于：滑閥是通過閥芯軸向運動的方式來實現(xiàn)功能，而轉(zhuǎn)閥則是通過閥芯旋轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)。因此用滑閥來代替轉(zhuǎn)閥的關(guān)鍵是使滑閥閥芯的軸向運動速度等于轉(zhuǎn)閥閥口的線速度[15]。根據(jù)建立的仿真模型，對影響主閥芯動態(tài)響應(yīng)的供油壓力、啟閉頻率、面積比、節(jié)流槽寬度以及影響流量波動特性的控制腔體積、先導(dǎo)流量等進行仿真分析，分析關(guān)鍵影響因素。表1為仿真模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 仿真模型關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 仿真分析

4.1 動態(tài)位移特性

4.1.1 供油壓力

在仿真模型中，將液壓源的壓力參數(shù)分別設(shè)置為10、15、20、25 MPa，得到不同供油壓力下主閥閥芯位移響應(yīng)曲線以及啟閉時間如圖4所示。由仿真結(jié)果可知：供油壓力的增加不會對閥芯開啟和關(guān)閉的滯后時間有影響，而閥芯的開啟時間和關(guān)閉時間都會隨著供油壓力的增加而減小，從整個過程來看，閥芯開啟過程快于關(guān)閉過程。

圖4 不同供油壓力下閥芯位移(a)和閥芯啟閉時間(b)

4.1.2 啟閉頻率

在仿真模型中，將啟閉頻率參數(shù)分別設(shè)置為100、200、300、400 Hz，得到不同啟閉頻率下主閥閥芯位移響應(yīng)曲線以及啟閉時間如圖5所示。由仿真結(jié)果可知：隨著啟閉頻率的增加，主閥芯的開啟滯后時間仍然保持不變，關(guān)閉滯后時間明顯減小，并且主閥芯的開啟時間和關(guān)閉時間也明顯減少。

圖5 不同啟閉頻率下閥芯位移(a)和閥芯啟閉時間(b)

4.1.3 面積比

在仿真模型中，將主閥閥芯與動閥套的面積比參數(shù)分別設(shè)置為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5，得到不同面積比下主閥閥芯位移響應(yīng)曲線以及啟閉時間如圖6所示。可知：面積比的變化對開啟滯后時間沒有影響，對其他時間都有明顯的影響。主閥芯關(guān)閉滯后時間隨著面積比的增大而增加，而開啟時間和關(guān)閉時間的變化趨勢則相反，開啟時間隨著面積比的增大而增大，關(guān)閉時間隨著面積比的增大而減小，且對關(guān)閉時間的影響要遠大于對開啟時間。

圖6 不同面積比下閥芯位移(a)和閥芯啟閉時間(b)

4.1.4 節(jié)流槽寬度

在仿真模型中，將節(jié)流槽的寬度參數(shù)分別設(shè)置為1.1、1.4、1.9、2.8 mm，得到不同寬度下主閥閥芯位移響應(yīng)曲線以及仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同寬度下閥芯位移(a)和閥芯啟閉時間(b)

由圖7可知：隨著節(jié)流槽寬度的增加，流量放大倍數(shù)逐漸減小，主閥閥芯開啟時間也逐漸增加。閥芯關(guān)閉時，曲線幾乎完全重合，關(guān)閉時間基本保持不變，節(jié)流槽寬度的變化對閥芯關(guān)閉時間基本無影響。

4.2 動態(tài)流量特性

4.2.1 啟閉頻率

在仿真模型中，將啟閉頻率參數(shù)分別設(shè)置為100、200、300、400 Hz，得到不同控制頻率下流量動態(tài)響應(yīng)曲線如圖8所示。在高速開關(guān)閥控制頻率可以達到的情況下，隨著頻率的提升，動態(tài)響應(yīng)時間基本保持不變，同時最大流量也不隨著頻率的變化而變化，但是流量波動幅度大幅減小，尤其是在100～200 Hz，流量波動減少量較為明顯。

圖8 不同啟閉頻率下流量(a)和流量的波動量(b)

4.2.2 控制腔體積

在仿真模型中，將控制腔的體積參數(shù)分別設(shè)置為10、50、100、150 mL，得到不同控制腔體積下流量動態(tài)響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖9 不同控制腔體積下流量(a)和流量的波動量(b)

由圖9可以看出：隨著控制腔體積的增加，流量的動態(tài)響應(yīng)時間也隨著增加，但最大流量仍然保持不變。當(dāng)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，流量波動隨著控制腔體積的增加而減小。但是受限于閥的結(jié)構(gòu)和尺寸，控制腔體積對流量波動的調(diào)節(jié)量有限。

4.2.3 先導(dǎo)流量

在仿真模型中，將先導(dǎo)流量參數(shù)分別設(shè)置為15、20、25、30 L/min，得到不同先導(dǎo)流量下流量動態(tài)響應(yīng)曲線以及仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯弘S著先導(dǎo)流量的不斷增加，流量波動也逐漸增加，并且漲幅較大。先導(dǎo)流量太大，閥的流量波動較大；先導(dǎo)流量太小，影響閥的通流能力。因此，選擇一個合適的先導(dǎo)流量很重要。

圖10 不同先導(dǎo)流量下流量(a)和流量的波動量(b)

5 結(jié)論

(1)增大供油壓力能夠有效減少閥芯的開啟和關(guān)閉時間，且對滯后時間幾乎無影響，所以供油壓力可以選擇大一些。

(2)增大啟閉頻率能夠有效減少閥芯的啟閉時間和關(guān)閉滯后時間，所以啟閉頻率可在實際能達到的情況下選擇大一些。

(3)面積比的變化對閥芯開啟和關(guān)閉的影響相反。較小面積比加快閥芯的開啟同時也會增加閥芯關(guān)閉的時間。

(4)節(jié)流槽寬度的增大導(dǎo)致閥芯開啟時間的增大，而對關(guān)閉時間影響不大，所以選擇較小的節(jié)流槽寬度可以提升閥的響應(yīng)能力。

(5)流量波動隨著頻率的增加、控制腔體積的增大而減小，隨著先導(dǎo)流量的增大而增加。這與數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)的結(jié)果一致。