壓力平衡氣動(dòng)比例閥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

郭大勇，司國(guó)雷，唐兵

(四川航天烽火伺服控制技術(shù)有限公司，四川成都 611130)

0 前言

氣動(dòng)比例閥作為電磁閥的一種，具有無級(jí)流量調(diào)節(jié)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、綠色無污染、易于維護(hù)、成本較低等特點(diǎn)[1-3]，在現(xiàn)實(shí)生活中特別是醫(yī)療行業(yè)有廣泛應(yīng)用[4]。但目前市面上的氣動(dòng)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(shí)會(huì)受到氣壓力作用，在氣動(dòng)比例閥設(shè)計(jì)時(shí)就需要考慮氣壓突變力的存在，給氣動(dòng)比例閥的設(shè)計(jì)帶來困難。

另一方面，通過檢索文獻(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)研究較多的是比例電磁鐵，目的在于獲得平穩(wěn)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(shí)現(xiàn)比例閥比例調(diào)節(jié)的一部分，比例閥要實(shí)現(xiàn)比例調(diào)節(jié)還需要考慮閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)平衡，這就要求比例閥的閥芯受力要盡可能簡(jiǎn)單，通過控制負(fù)載力與電磁力的平衡，實(shí)現(xiàn)比例閥流量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

所以本文作者一方面設(shè)計(jì)出壓力平衡式氣動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化閥芯受力，這樣在比例閥設(shè)計(jì)中只需考慮電磁力和彈簧力平衡即可。另一方面優(yōu)化電磁鐵結(jié)構(gòu)，通過改變磁路使電磁力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)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(huì)小，與電磁力平衡的彈簧力才會(huì)控制在有限區(qū)間，保證復(fù)位彈簧容易設(shè)計(jì)。

在得到穩(wěn)定的電磁力后，彈簧的設(shè)計(jì)只需匹配不同電壓下的電磁力值來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，這樣彈簧力就會(huì)被分段控制在不同電壓區(qū)間，根據(jù)分段電磁力值來得到復(fù)位彈簧結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)比例閥在不同電壓下流量的連續(xù)輸出。

現(xiàn)將壓力平衡氣動(dòng)比例閥設(shè)計(jì)步驟作簡(jiǎn)單介紹，其中氣動(dòng)比例閥技術(shù)指標(biāo)如下：(1)閥口通徑4.6 mm；(2)通路數(shù)為二位二通；(3)負(fù)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(jié)構(gòu)及工作原理

為了實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)比例閥低功耗要求，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)比例閥采用壓力平衡式結(jié)構(gòu)，動(dòng)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(shè)計(jì)的氣動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力平衡式氣動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)

如圖1所示，氣動(dòng)比例閥主要由端蓋、密封圈、線圈組件、導(dǎo)向筒上段、導(dǎo)向筒下段、密封膜片組件、定位套、進(jìn)氣套、動(dòng)閥芯組件、隔磁環(huán)、復(fù)位彈簧和外殼組成。工作過程為：當(dāng)比例閥通電后，隨著電磁力的不斷增加，當(dāng)電磁力大于彈簧預(yù)緊力時(shí)，動(dòng)閥芯開始運(yùn)動(dòng)；隨著動(dòng)閥芯的移動(dòng)，彈簧不斷壓縮，彈簧力不斷增大；當(dāng)彈簧力等于電磁力時(shí)，動(dòng)閥芯處于某個(gè)平衡位置；繼續(xù)增大電流，電磁力不斷增加，動(dòng)閥芯繼續(xù)移動(dòng)，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)比例閥開度的調(diào)節(jié)；在關(guān)閉過程中隨著電流的降低，電磁力不斷降低，彈簧慢慢復(fù)位，當(dāng)電磁力等于彈簧力時(shí)，動(dòng)閥芯處于某個(gè)平衡位置，繼續(xù)降低電流，直至比例閥關(guān)閉。

2 氣動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)閥芯結(jié)構(gòu)尺寸確定

氣動(dòng)比例閥的工作介質(zhì)是空氣，入口壓力0.7 MPa，流量不小于180 L/min，根據(jù)氣動(dòng)比例閥閥口結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)尺寸為：進(jìn)氣套孔口直徑4.6 mm，閥座直徑5.6 mm，動(dòng)閥芯直徑4.6 mm，閥芯行程0.26 mm。

圖2 比例閥閥口結(jié)構(gòu)AMESim仿真模型

2.2 線圈組件設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[5-7]可推導(dǎo)出線圈組件計(jì)算的相關(guān)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(nèi)徑，mm；Rxq為線圈電阻，Ω；ρx為導(dǎo)線電阻率，Ω·mm2/m；α為線徑系數(shù)，1.144 4；N為線圈匝數(shù)；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(shù)；U為線圈電壓，V；P為線圈功耗，W；I為線圈電流，A。

根據(jù)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(shè)定線圈外徑Dw=12 mm，線圈內(nèi)徑dn=6.6 mm，線圈高度hxq=14 mm，通過公式(1)—(6)可計(jì)算出漆包線直徑d=0.18 mm，線圈匝數(shù)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(jì)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(jī)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(chǎn)生的相當(dāng)于有效作用力的“假想”當(dāng)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(dòng)閥芯在工作過程中不受氣壓力的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，當(dāng)膜片的工作位移不大于5%D1時(shí)，膜片的有效面積按公式(7)計(jì)算：

(7)

如圖1所示：D1為固定膜片壓環(huán)的內(nèi)徑，D=3 mm為固定壓環(huán)連接柱的直徑，D2=4.6 mm(與比例閥進(jìn)氣口直徑相同，用來平衡進(jìn)口壓力)。通過公式可以確定D1=6.3 mm時(shí)，動(dòng)閥芯組件能夠?qū)崿F(xiàn)壓力平衡。

2.4 隔磁環(huán)有效參數(shù)確定

比例電磁鐵與普通電磁鐵的本質(zhì)區(qū)別在于比例電磁鐵能夠輸出穩(wěn)定的行程力特性。決定這一特性的關(guān)鍵在于比例電磁鐵中增加了隔磁環(huán)結(jié)構(gòu)，其中隔磁環(huán)參數(shù)對(duì)電磁力將產(chǎn)生重要影響[9-13]。

當(dāng)給比例電磁鐵通電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩條閉合的磁路φ1和φ2，如圖3所示。其中φ1經(jīng)過外殼、動(dòng)閥芯和端蓋構(gòu)成閉合磁路，對(duì)動(dòng)閥芯產(chǎn)生軸向力F1；φ2經(jīng)過外殼、導(dǎo)向筒上段并繞過隔磁環(huán)，通過動(dòng)閥芯和端蓋構(gòu)成閉合磁路，對(duì)動(dòng)閥芯產(chǎn)生附加軸向力F2，F(xiàn)1和F2的合力就是最終動(dòng)閥芯所受的電磁力F。

對(duì)比例電磁鐵進(jìn)行Maxwell有限元仿真研究，由于比例電磁閥為軸對(duì)稱模型，因此建立其模型的一半，提高計(jì)算速度[14]，如圖3所示。設(shè)置邊界條件為氣球邊界條件[15]，端蓋、導(dǎo)向筒下段、導(dǎo)向筒上段、動(dòng)閥芯、外殼的材料設(shè)置為DT4，勵(lì)磁線圈和隔磁環(huán)的材料為Cu。

隔磁環(huán)參數(shù)設(shè)置如圖4所示，隔磁環(huán)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(huán)長(zhǎng)度h，隔磁環(huán)沿豎直方向移動(dòng)到新的位置A′B′C′D′，移動(dòng)距離為Δh，向上為正，向下為負(fù)。在起始位置點(diǎn)B的位置與動(dòng)閥芯吸合前平齊，AB=CD=h=1 mm，θ1=θ2=90°，Δh=0 mm。

圖4 隔磁環(huán)示意

2.4.1θ2=30°不同Δh電磁力變化

設(shè)定θ2=30°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數(shù)為初始參數(shù)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(dāng)θ2=30°時(shí)，隨著隔磁環(huán)位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環(huán)位置的上移，工作氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yōu)先選擇Δh=0.2 mm位置。

圖6 θ2=30°不同Δh工作氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線

2.4.2θ2=60°不同Δh電磁力變化

設(shè)定θ2=60°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數(shù)為初始參數(shù)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(dāng)θ2=60°時(shí)，隨著隔磁環(huán)位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環(huán)位置的上移，工作氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yōu)先選擇Δh=0.2 mm位置。

2.4.3θ2=90°不同Δh電磁力變化

設(shè)定θ2=90°，Δh分別為0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余參數(shù)為初始參數(shù)值，得到電磁力-位移曲線如圖8所示。

從圖8可以看出：當(dāng)θ2=90°時(shí)，隨著隔磁環(huán)位置的上移電磁鐵的電磁力逐漸降低。原因是隨著隔磁環(huán)位置的上移，工作氣隙處的磁感應(yīng)強(qiáng)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(yōu)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(jié)仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)θ2不同時(shí)，在Δh=0.2 mm處電磁力-位移曲線均表現(xiàn)出良好的水平特性，通過對(duì)比得到圖9的仿真結(jié)果。

從圖9可以看出：當(dāng)Δh=0.2 mm時(shí)，隨著θ2的增大，電磁鐵的電磁力降低，且θ2=60°時(shí)，電磁力-位移曲線的水平度最好，因此選擇隔磁環(huán)參數(shù)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(jié)確定隔磁環(huán)的首選參數(shù)是θ2=60°、Δh=0.2 mm，當(dāng)θ1=30°、60°、90°，其余參數(shù)為初始參數(shù)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(dāng)θ1=30°、60°、90°時(shí)，電磁力-位移曲線幾乎重合，因此θ1對(duì)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(jié)仿真確定隔磁環(huán)參數(shù)為θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°，當(dāng)h=1、1.5、2、2.5 mm時(shí)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(dāng)θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°時(shí)，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(duì)隔磁環(huán)參數(shù)的仿真分析，最終確定隔磁環(huán)參數(shù)為θ2=60°，Δh=0.2 mm，θ1=90°，h=1 mm。

2.5 復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)

彈簧是比例閥中關(guān)鍵部件，它與一般電磁閥中彈簧的設(shè)計(jì)有較大區(qū)別，其性能設(shè)計(jì)要考慮預(yù)緊力的大小、自由長(zhǎng)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(dòng)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(dāng)控制電壓在1～6 V內(nèi)變化時(shí)，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(dāng)控制電壓在1～6 V內(nèi)變化時(shí)，電磁力均表現(xiàn)出良好的水平特性，說明隔磁環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)合理。當(dāng)控制電壓在1～6 V內(nèi)變化時(shí)，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(nèi)進(jìn)行匹配，保證與電磁力平衡，這樣才能保證比例閥實(shí)現(xiàn)比例特性。因此設(shè)計(jì)的彈簧力需滿足表1的要求。

表1 比例閥彈簧力設(shè)計(jì)要求

通過Autodesk Inventor軟件對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面如圖13所示。

圖13 彈簧設(shè)計(jì)參數(shù)

最終得到的復(fù)位彈簧參數(shù)如圖14所示。

圖14 復(fù)位彈簧參數(shù)

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)氣動(dòng)比例閥技術(shù)條件，通過仿真設(shè)計(jì)確定了比例閥的基本結(jié)構(gòu)，現(xiàn)對(duì)比例閥的輸出流量特性進(jìn)行試驗(yàn)，看隨著電壓的變化流量是否會(huì)連續(xù)變化。其中試驗(yàn)檢測(cè)裝置如圖15所示。

圖15 氣動(dòng)比例閥流量測(cè)試裝置及產(chǎn)品

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如圖16所示。

圖16 氣動(dòng)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(dāng)控制電壓大于2.5 V時(shí)，電磁力克服彈簧預(yù)緊力，閥芯開始運(yùn)動(dòng)，出口有流量輸出，隨著控制電壓繼續(xù)增大，閥出口流量也連續(xù)地成比例增大；當(dāng)控制電壓從6 V逐漸減小時(shí)，閥出口流量也連續(xù)地成比例減小，在控制電壓小于2.5 V時(shí)，閥芯在復(fù)位彈簧預(yù)緊力的作用下復(fù)位。由于電磁鐵本身的滯環(huán)以及在運(yùn)動(dòng)過程中彈簧力、摩擦力的影響，輸出流量隨控制電壓的增長(zhǎng)下降并非呈線性關(guān)系，相同的控制電壓在電信號(hào)遞增以及遞減的過程中對(duì)應(yīng)的輸出流量不同，從試驗(yàn)結(jié)果看就是比例閥在打開關(guān)閉過程中流量曲線不重合。

4 結(jié)論

比例閥與電磁閥最大的不同之處在于能夠?qū)崿F(xiàn)流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，這也是比例閥與電磁閥設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡。通過文中研究形成以下成果：

(1)根據(jù)氣動(dòng)比例閥結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸；

(2)根據(jù)控制電壓、線圈功耗要求，通過線圈組件計(jì)算公式確定了線圈組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

(3)通過增加密封膜片使氣動(dòng)比例閥閥芯受力平衡，這樣閥芯在運(yùn)動(dòng)過程中將只受電磁力和彈簧力作用，更容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，并通過公式確定了密封膜片固定結(jié)構(gòu)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(duì)隔磁環(huán)進(jìn)行了參數(shù)化仿真研究，最終確定實(shí)現(xiàn)電磁力輸出水平度好的隔磁環(huán)參數(shù)為：θ2=60°，Δh=0.2 mm，θ1=90°，h=1 mm；

(5)為了使比例閥的流量實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化，需要電磁力與彈簧力實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，通過計(jì)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(shù)；

(6)通過試驗(yàn)對(duì)氣動(dòng)比例閥的電壓-流量特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果表明在不同控制電壓下，氣動(dòng)閥輸出流量能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)變化，滿足比例閥的性能要求。