（控制理论与控制工程专业论文）高速开关阀的理论研究与改进设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 高速开关阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种具有响应速度快、抗污染 能力强、与电子电路配合好等特点的一个良好的动力放大元件。高速开关阀 的发展将加快液压系统的数字化。但是，现有的高速开关阀存在开口量小， 大流量时响应比较慢等缺点，限制了其应用范围。 本文对现有的几种高速开关阀进行比较研究，说咀高速开关阎研究的重 要意义和存在的问题，提出一种提高高速开关阀芯套双动的方法，对高速开 关阀进行改进，并且初步设计芯套双动高速开关阀。 针对初步改进设计的高速开关阀，本文从理论上进行了力学性能及液动 力的分析、静态性能的分析和动态性能的分析，建立阀的数学模型，并进行 了仿真，从而全面地对阀的性能进行了研究，说明了芯套双动能够提高阀的 响应速度、提高阀的整体性能，同时也找出影响阀性能的一些因素，并提出 了一定的解决方法。本文也建立了液压系统，把高速开关阀放入系统进行实 验和仿真研究，同时，也说明了寻找更优的控制方法有利予阀控系统的工作。 本文还利用功能强大的u g 软件建立了芯套双动高速开关阀的模拟仿真 模型，对阀进行了模拟仿真，也对影响阀性能的因素进行了研究，也说明了 本文观点的正确性。 希望本文的研究能够对液压控制技术的发展，对流体控制技术与计算机 控制技术更好地结合，起到一定地促进作用。 关键词：高速开关阀液动力u g 仿真脉宽调制 a b s t r a c t h i g hs p e e do n o f fv a l v ci sa nc x c c l l e n td r i v e m a g i f y i n ge l e m e n tw h i c h h a sb e e n d e v e l o p e ds i n c e1 9 8 0 s ，“h a sm a n ym e r i t ss u c ha sh i g hr e s p o n s e s p e e d ，g o o da b i l i t yo fr c s i s t i n gc o n t a m i n a t e do i la n dc a p a b i l i t yo fa s s o r “n g w e l l w i t he l e c t r o c i r c u i t t h ed e v e l o p m c n to fh i g hs p c c do n o f fv a l v cw i l lm a k et h e d e v e l o p m e n t0 fd i g i t a lh y d r a u l i cs y s t e m m o r er a p i d b u tt h e t ea r em a n y s h o r t c o m i n g so ft h i sv a l v e ，s u c ha st h es m a l lp l a c k e ta n dt h ei n c o n s i s t e n c yo fb i g n u xa n dh i g h - s p e e dr e s p o n s eo fh i g h - s p e e do n - 0 f fs o l e n o i dv a i v e t h e s el i m i tt h e u s i n gr a n g eo ft h ev a l v e t h i sp a p e rc o m p a r e da n ds t u d i c ds o m eh i g hs p e e do n o f fs o l e n o i dv a l v e s ， i l l u m i n a t c dt h ec x i s t c n tp r o b l c m sa n dp u tf o r w a r dam e t h o do fs p o o la n dc o v e r m o v i n gt oa m e l i o r a t et h ev a l v e a tt h cs a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s od c s i g n c dt h e h i g hs p e e do n ，o f fs o l e n o i dv a l v ep r i m a r i ly a i m e da tt h ev a l v et h a tw ed c s i g n c dp r i m a r i l y ，t h i sp a p e ra n a l y s e dt h e c a p a b i l i t i c s o ff o r c ea n dn u i df o r c ea n dt h cs t a t i ca n dd y n a m i cc a p a b i l i t i s ， e s t a b l i s h e dt h em a t hm o d e lo ft h cv a l v c a n dd i ds o m es i m u l a t i o ns t u d i e s t h i s p a p e rr e s e a r c h e dt h ec a p a b i l i t i e so ft h cv a l v er o u n d l y ，f o u n do u tm a n yf a c t st h a t c o u l di n n u c n c et h cc a p a b i l i t i c so ft h ev a l v c ，a n dp u tf o r w a r ds o m em c t h o d st o s o l v ct h c s cp f o b l e m s t h i sp a p e ra l s ee s t a b l i s h e dah y d r a u l i cc y l i n d e rs y s t e m ， r e s e a r c h e dt h ec a p a b i l i t i e so ft h ev a l v ei nh y d r a u l i cs y s t e ma n di l l u m i n a t e d e x c e l e n tm e t h o d sc o u l dm a k et h es y s t e mw i t hv a l v cc o n t r o l l i n gw o r kw e l l t i sp a p e re s t a b l i s h e dt h es i m u l a t i o nm o d e lo fh i g hs p e e do n o f fs o l e n o i d v a l v eu t i l i z e i n dt h es o f t w a r e ，u ga n dv a l i d a t c dt h ef b r e g o i n gv i e w p o i n t s t h i sp a p e rm a y0 f f c rs o m er e f c f e n c ef o rt h ea m e l i o r a t i o o fo n - o f f s o l e n o i dv a l v e a u t h o rh o p e st h a tt h cr e s e a r c h e so ft h i st h e s i sc a nd oal i t t l ef o r t h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i cc o n t r o lt e c h n i q u e ，a n dt h ec o m b i n a t i o no f h y d r a u i i cn u i dt e c h n i q u ea n dc o n l p u t e rc o n t r o lt e c h n i q u e k e yw o r d s ：h i g hs p c c do n o f fv a l v c ；f l u i df o r c e ；u g ；s i m u l a t i o n ；p w m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师朱建公教授的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科 技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：幻秉危 日期：咖，7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：施莹色 导师签名：一二! 奢它乏 日期：知口，7 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1绪论 目前，液压技术已经成为一门比较成熟的应用技术。随着现代工业自动 化程度的发展，液压技术与计算机技术、电子技术的结合己成为液压技术发 展的必由之路，数字化液压元件的开发应用是现今也是今后液压技术发展的 一个方向。 液压阀是液压系统中的控制元件。它可以用来控制液压系统中压力的高 低、流量的大小以及油液流动的方向，从而达到控制整个液压系统。无论是 一个简单的或非常复杂的液压系统都少不了液压阀，液压阀的性能是否可靠， 关系到整个液压系统是否能正常的工作。因此，数字阀的研究对推进整个液 压系统的数字化有着很重要的意义。 1 1 数字阀概述 用计算机的数字信息直接控制的液压阀，称为电液数字阀，简称数字阀。 数字阀的出现将会带来液压阀技术的一场革命。数字阀按控制方式可以分为： 增量式( p n m ) 数字阀和脉宽调制( p w m ) 式数字阀。 1 1 1 增量式数字阀 增量式数字阀是现在最常用的一种数字阀。常分为三类：数字流量阀、 数字式压力阀和数字式方向流量阀。但就其控制驱动的原理来说，三种增量 式数字阀都是采用步进电机作“电信号一机械位移”转换元件的控制阀，即 步进电机直接驱动的数字阀，其结构见图卜1 。 圈1 1 f ig u r e1 1 步进电机直接用数字量控制，其转角与输入的数字信号脉冲数成正比， 基蕉堡堕堕盟墼冲频率而变化；当输入反向脉冲时，步进电机将反向旋转。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 步进电机在脉冲信号的基础上，使每个采样周期的步数较前一采样周期增减 若干步，以保证所需的幅值，当控制数字阀的微机发出控制信号时，步进电 机转动并经过滚珠丝杠或凸轮使电机的旋转角位移转换为阀芯的直线位移， 使阀口开启或关闭，步进电机转动的一定角度相当于数字阀的一定开度。对 于数字方向流量阀来说，则可以利用步进电机控制其档板的转向与偏转角度 控制其流向与流量。图卜2 是增量式数字阀的控制方框图。 圈卜2 f i g u r e 卜2 微机发出控制脉冲序列，经驱动电源放大后使步进电机按控制脉冲动作， 每个脉冲使步进电机转过一个固定的步距角。数字阀的控制就在于步进电机 的控制。步进电机可以采用微电脑或可编程控制器( p l c ) 进行控制。增量式数 字阀不需d a 转换，对污染不敏感，可靠性高，易于控制算法的实现，但仍 存在一些问题，步进电机输出的是旋转量，而为了能够将其转换成直线位移， 往往要采用丝杆螺母机构或凸轮机构，同时为保证阀具有好的性能，对其精 度也要求较高：动态特性较差，由于步进电机驱动螺杆机构或凸轮机构要克服 较大的惯性力及摩擦力。从而造成步进电机运动不能太快，而且结构复杂， 限制了增量式数字阀的进一步发展。 1 1 2 脉宽调制式数字阀 脉宽调制式数字阀又称为快速开关型数字阀，简称高速开关阀。它可以 直接用计算机控制，由于计算机是按二进制工作的，最普通的信号可以化为 两个量级的信号，即“开”和“关”。控制这种阀的开与关以及开和关的时 间长度( 脉宽) ，即可达到控制液流的方向、流量或压力的目的。由于脉宽 调制式数字阀的阀芯多为锥阀、球阀或喷嘴挡板阀，均可以快速切换。 脉宽调制式数字阀工作在“开”和“关”两个极限位置，用脉宽占空比 来控制变量，省去了模拟量控制系统中要求各环节在两个极限位置间的连续 性和线性性，不但对相应环节的技术要求降低，而且其结构简单，价格低廉， 抗干扰及抗污染能力强，放大器耗能少，静态性能中滞环和重复误差均较小。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 因此，高速开关阀成为一种很有前途的液压阀。 1 2 数字阀的发展现状及存在问题 1 2 1国内外的发展现状 由于数字阀的一系列的优点，二十多年来，数字阀的理论与应用研究越 来越得到人们的重视，并先在日本、法国、美国、英国、加拿大等少数工业 发达国家得到了优先发展。自1 9 8 1 年第十届国际流体动力博览会上首次展出 数字阀以来发展很快。美国威格士、日本东京计器、油研、丰兴工业公司和 内田油压公司等厂家都将数字阀商品化了。日本的一些高档轿车上使用了高 速开关阀控制的液压主动悬架隔振系统；高速开关阀已成功地应用于美国 b k m 公司内燃机全电子燃油喷射系统，作为电控喷油器的关键部件，利用其 高速响应和优良的重复性，控制燃油喷射并进行精确的定时控制。 国内数字阀的开发研究工作起步较晚，所开展的工作可以分为两方面， 一方面跟踪国外的研究，探索电磁开关阀的基础理论研究；另一方面是自主 或合作开发高速开关阀样机及与之配套的驱动控制装置。当然，国内不少厂 家和研究部门也己经研制出许多型式的数字阀。1 9 8 7 年在北京由中国科学技 术交流中心举办的展览会上，第一次展出由北京钢铁设计研究总院研制的数 字阖；宜化钢厂2 号高炉布料器液压系统、唐钢1 2 0 0 1 矗。高炉及步进炉液压 系统、包钢3 号高炉布料器液压系统中作为备用阀组也采用数字阀。但是到 目前为止，基本上还处于研究试验阶段，还未达到大规模推广应用的程度。 以高频电磁铁为驱动器的高速开关阀为例：此类高速开关阀对电磁铁性能要 求很高，国内生产的电磁铁难以满足使用要求，在一些柴油机厂家，其所用 的电磁铁均为进口。 1 2 2 存在的问题 在实际的工作中，系统对数字阀的动态性能要求是阀芯的切换时间要短。 而阀芯的切换时间长短主要取决于电磁吸力的大小、阀芯运动组件的设计参 数以及阻尼力的大小。现有的数字阎存在一系列的问题： 1 、数字阀在大流量时响应比较馒： 2 、流体的粘性等产生的阻尼力对阀的工作稳定性有很大的影响； 3 、电磁铁的滞后影响数字阀的响应速度； 这些问题的存在限制了数字阀的应用范围。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 本课题研究的意义 与比例阀、伺服阀相比，数字阀具有很多的优点：数字阀可以直接与计 算机接口，不需要a d 转换器；数字阀结构简单、工艺性好、抗污染能力强、 重复性好、工作稳定可靠、性价比高等。我们用表格卜l 对几种阀的性能进 行比较，可以看出数字阀的研究很有意义。 表卜 t a b ie 卜1 需要接口电路板需要需要不需要 计算机控制适应性 需要a d 转换需要a d 转换不需要a d 转换 从今后的发展电液数字化方面看，发展数字元件及其系统将是工业现代 化的必然选择。数字阀，特别是高速开关阀，在机床控制、机器人控制、水 电控制、火电控制、舰船控制、压铸机和塑料注射机的控制、冶金、化工和 原子能工业以及农业机械上均有广阔的应用前景。同时，由于液压阀在液压 系统中的特殊性，数字阀的发展对液压系统的数字化发展也有着特殊的意义。 国内在数字阀方面的研究比起国外来说还有很长的一段距离，开展数字 阀的研究对我们来说更有意义。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 本课题研究的内容 l 、对现有的几种不同的数字阀进行研究； 2 、针对高速开关阀存在的问题，提出芯套双动的设计方法，对现有的二 位二通数字阀进行改进，初步设计芯套双动高速开关阀；对阀的静态、动态 性能进行理论分析和仿真，并进行相关的试验研究，同时对阀所受到的液动 力作一定的分析。 3 、建立简单的液压系统，从液压系统控制的角度对高速开关阀进行仿真 研究；并应用模糊控制的方法对系统进行仿真研究，说明控制方面的改进可 以提高阀控系统的性能。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2电、机械转换概述 高速开关阀由电一机械转换装置和液压阀两部分组成。液压系统中两个最 主要的被控参数是压力和流量，而控制这两个参数的最基本的手段是对流阻 进行控制。目前，工业技术中主要是利用固体部件的运动或变形来实现对流 阻的控制，这就需要进行电一机械转换，把电能转换成固体部件需要的机械能 等。 2 1 电一机械转换装置的要求 ( 1 ) 输出的机械力的大小只与电信号的大小有关，与衔铁及液压阀可动 部分的位移无关，即具有水平吸力特性。 ( 2 ) 动态性能好，响应速度快。 ( 3 ) 有足够的输出力和行程，结构紧凑、体积小。 ( 4 ) 滞环误差( 磁滞和粘滞) 小，一般不应超出一定范围，如2 。 ( 5 ) 工作应该稳定，其温升不能超过要求。 2 2 常用的电一机械转换装置 高速开关阀常用的电一机械转换装置主要有：比例电磁铁、动圈式马达、 动铁式马达、压电材料( p z t ) 和超磁致伸缩材料( g 删) 。 电磁铁是一种依靠电磁系统产生的电磁吸力，使衔铁对外做功的电动装 置。电磁铁具有结构简单、材料要求一般、工艺性好、输出力大、行程长、 维护方便等优点。虽然电磁铁的静、动特性较差，但是它的优点使它被广泛 用于电一机械转换装置。 压电材料( p z t ) 是一种应用逆压电效应的原理来进行工作的驱动材料。 其原理是：由于压电晶体受到电场作用时在晶体内部产生了应力，成为压电 应力，通过它的作用产生压电应变，其形变随电场反向而反号，与电场强度 的一次方成正比。压电材料应力大、位移小，在光学、精密加工、汽车和液 压等领域都得到广泛的应用，缺点是存在迟滞、蠕变和非线性等，这些给控 制带来了很大的困难。目前国内外的很多单位和专家都在研究压电控制的高 速开关阀，已经取得了很大的进展。 磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r ic t i v em a t e r i a l ，g l m ) 是一种能实 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 现电磁机械能量信息转换的新型功能材料，具有应变大( 在室温下磁致伸缩 应变大，最大为1 5 0 0 1 0 4 2 0 0 0 1 0 6 ) 、响应速度快、能量传输密度高、输 出力大和高能工作性能稳定等特点。国外已将其应用于流体控制元件的开发 中，并取得了一定进展。瑞典、日本、美国等最早开展这方面的研究，其中 瑞典研制的燃料喷射阀、日本研制的直动伺服阀已达实用阶段，国内浙江大 学利用g m m 对气动喷嘴挡板阀和内燃机燃料喷射系统的高速强力电磁阀进行 了机构设计和特性研究。目前磁致伸缩的应用还没有大规模的展开，制约其 应用的主要因素是：( 1 ) 受到稀土材料价格的影响，造价很高；( 2 ) 磁致 伸缩材料及器件的生产工艺、磁机械设计技术等方面的研究还不是很完善。 但是在流体传动及控制技术领域开展磁致伸缩方面技术的研究将有助于更好 地满足日益提高的市场需求。进而推动流体传动及控制技术研究的发展。下表 是几种机电转换器的一个比较。 表2 1 t a b i e2 1 当然，诈多新的电一机械转换材料也在不停的出现。黑龙江中俄科技合作 及产业化中心研究出制造混合松驰铁磁体的工艺p b z n l 3n b 2 30 3 一p b t i 0 3 ( p z n p t ) ，p b m 9 1 3n b 2 3 一p bt i 0 3 ，n a l 2t i 0 3p b s c l 2n b l 20 3 一p b s c l 2 t a l 2 0 3b a t i 0 3 一b a z r 0 3 等等。这种材料以聚合的晶体膜和陶瓷( 其中包括 高温冲制的成形的) 形式制造出来，用于高效电一机械转换，提供较大的机械 位移。设置的任务是，制取一种陶瓷制的样件，它有很多的变形能密度e ， 相对位移s ，它的这些值应比通常使用的锆一钛一铅压电陶瓷以及磁申缩材料 高，并接近于单晶的位移值。松驰铁磁体陶瓷的附加优点：电一机械滞环小、 电一机械关联系数高( 0 6 一o 9 ) ：介电损失低一1 、介电穿透力值( 介电常数) 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 大于3 0 1 0 3 5 0 1 0 3 、响应速度快。 综上所述，各种不同的电一机械转换装置都有自己的独特的优点，但是从 性价比和结构方面考虑，电磁铁仍然是应用最为广泛的电一机械转换装置。 2 3电磁铁的工作原理 2 3 1法拉第电磁感应定律和毕奥一萨伐定律 法拉第电磁感应定律和毕奥一萨伐定律是电磁铁工作原理的理论依据。 法拉第电磁感应定律是电磁感应的基本定律，其内容是：当导体回路所 包围的面积磁通发生变化时，回路中产生的感应电动势与磁通对时间的变化 率成正比。用公式表示为： e 箜( 2 1 ) 出 式中：负号表示感应电流所产生的磁场总是反抗原来磁通的变化的， e 一闭合回路的感应电动势( v ) ； 西一通过闭合回路的磁通量( w b ) ； f 一时间( t ) 。 毕奥一萨伐定律：在空间任意一点产生的磁感应强度的大小与通过回路的 电流强度f 成正比，因此通过该回路所包围的面积的磁通量也和f 成正比。 即： 西i f( 2 2 ) 2 3 2电磁铁的特性方程 电磁铁靠电源供给能量，一部分能量作为磁能储蓄起来，另部分使衔 铁运动从而转化为机械能。 图2 1电磁铁结构简图 eig 些 皇至= !主b 璺! 主! 垡璺主垡 璺壁! 曼! 璺璺主! 垒虫曼g 旦曼主 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 由铁心、气隙和励磁线圈组成的铁心磁路中，磁力线沿铁心、气隙构成 闭合回路，被称为磁回路。如上图，开始时衔铁固定在工一而的位置上，当气 隙由工。变化为x ：时，就完成了电能到磁能再到机械能的转换。 列出图示系统的运动方程： _ i ，l ；一c ：一七。一s ) + ，+ ，6 ：譬 ( 2 3 ) z “ 式中：f 一负载；m 一衔铁的质量；七一弹簧刚废系数；，一库仑摩擦力； 一线圈电感；c 一粘性阻尼系数。 电气回路的电压方程： 、工生+ 丝+ 僻+ 月，v ， ( 2 4 ) 出出 、 式中；u 一线圈两端电压；r 一线圈内阻，冠一外接电阻。式中第一项为自 感反电动势，第二项为衔铁运动时产生的反电动势，第三项是线圈的压降， 它是使线圈发热的原因。 电磁线圈中的电流变化率娑是影响是电磁阀响应速度的一个重要参数。 d f 半值越大，达到一定电流值所需时间越短，电磁阀工作响应时间也就越短。 d f 在电磁铁电路中总电阻r 值很小，几乎可忽略不计，电流交化率主要由线圈 两端电压u 和电磁线圈电感l 决定。提高线髑两端电压u 、减小电感l 可使 电流变化度变大，有利于提高脉冲调制式数字开关阀的响应速度。在电磁阀 的散热性能允许情况下，应尽可能性地提高功率驱动模块的能量输入，即增 大线圈两端电压值，以期得到较高的电流变化率，实现电磁阀的快速响应性。 对上面的两个方程进行联立求解，可以得出电流f 和位移x 对时间r 的响 应。对方程组得求解可以用龙格一库塔方法进行数值求解，并得到响应曲线。 2 4 电磁铁在高速开关阀中的应用分析 电磁铁是高速开关阀的一个重要组成部分，它的设计也是满足一定要求 的。我们对高速开关阀用电磁铁进行分析。 电磁线圈中的电流变化率孚是影响是高速开关阀响应速度的一个重要 d f 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 参数。半值越大，达到一定电流值所需时间越短，高速开关阀工作响应时间 d f 也就越短。在电磁铁电路中总电阻r 值很小，几乎可忽略不计，电流变化率 主要由线圈两端电压y 和电磁线圈电感l 决定。提高线圈两端电压y 、减小 电感l 可使电流变化度变大，有利于提高高速开关阀的响应速度。在高速开 关阀的散热性能允许情况下，应尽可能性地提高功率驱动模块的能量输入， 即增大线圈两端电压矿值，以期得到较高的电流变化率，实现高速开关阀的 快速响应。 通过上面的分析，电磁铁线圈的设计应满足如下原则： 1 ) 高速开关阀关闭前的能量强激。功率驱动模块应尽可能高的速率为数 字阀注入能量，确保高速开关阀在关闭过程中产生足够大的电磁作用力，缩 短关闭响应时间。 2 ) 高速开关阀闭合时的能量保持。高速开关阀关闭后，因工作气隙较小， 磁路磁阻很低，是磁线圈通入较小的保持电流便能产生足够大的电磁作用力 保证高速开关阀的可靠闭合。小的保持电流可以降低能量消耗，减小线圈发 热，同时有利于高速开关阀的快速开启。 3 ) 高速开关阀开启时的能量瞬时切断。高速开关阀开启时，应使电磁铁 线圈中储存的能量迅速泄掉，线圈电流瞬时切断，确保高速开关阀在回位弹 簧作用下快速开启。 4 ) 电磁铁线圈的低电感设计。电磁铁线圈的小电感设计，可以尽可能地 提高电流变化率。 2 5小结 本章对高速开关阀中应用的几种电磁转换装置进行了介绍，重点介绍了 电磁铁的工作原理，并对电磁铁在高速开关阀中的应用作了一定的分析。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 3高速开关阀的研究和改进设计 脉宽调制式数字阀也称高速开关阀，它是根据脉冲信号的高低电平来控 制阀芯的开启与关闭，是通过改变不同的占空比或调制频率来改变阀的平均 流量。从而实现对压力、流量的控制。 下图是脉宽调制式数字阀控制系统的工作原理。计算机输出数字信号通 过脉宽调制控制器和放大器后，使数字阀的电气一机械转换装置工作，从而驱 动数字阀工作。 图3 1脉宽调制式数字阀控制系统工作原理 f i g u r e3 1 t h ep r ；n c ip l eo ft h es y s t e mo fh i g h s p e e do n o f fs o i e n o idv a l v e 脉宽调制开关式数字阀的控制信号是以系列幅值相等、而在每一周期内 宽度不同的脉冲信号，因此阀只有与脉冲信号相对应的快速切换的开和关两 种状态。下图是脉宽调制式高速开关阀的脉宽调制信号波形图。 图3 2 脉宽调制信号波形 ( a ) 连续信号( b ) 脉宽信号 f jg u r e3 2t h e 帕v eo fp w m ( a ) s e q u e n t ia is jg n a i( b )p w - s ig n a 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 脉宽调制开关式数字阀一直在全开或全闭状态下工作，能将o n 0 f f 数字 信号直接转换成流体脉冲信号，使计算机控制技术无需d a 转换接口便可实 现与液压技术的有机结合，所以具有结构简单、抗污染能力强、易于同电子 回路配合等特点，近年来在液压控制和气动控制领域中都占有重要的地位， 有很大的发展前景和应用领域。 3 1 几种高速开关阀的剖析研究 3 1 1电磁高速开关阀 高速开关阀的阀芯常采用锥阀、球阀和喷嘴挡板阀。我们把电磁铁驱动 的高速开关阀称为电磁高速开关阀，电磁高速开关阀是现在用得最多的高速 开关阀。下面简单就国内研制的几种电磁高速开关阀做简单的分析。 图3 3 是h s v 系列的二位二通高速开关阀的原理。它是贵州红林机械厂 与美国b k m 公司合作经过三年多的努力，研制成功的h s v 系列高速电磁开关 阀之一。该阀为螺纹插装式结构，这种阀可以用在许多系统中，如：车辆恶 劣工况的数字电液比例压力控制系统、汽车的制动系统等。 图3 3h s v 高速开关阀原理 卜衔铁2 一线圈3 一极靴4 一阀体5 一顶杆6 一供油球阀 f ig u r e3 3t h ep r i l l c i p leo fh s vh ig h s p e e do n o f fv a i v e 1 一g a gb i t2 一w in d ln g3 一m a g n e t i cp o i e4 一b o d y5 一p o le6 一b a lv a lv e 这种阀的性能参数如表3 一l 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 表3 1h s v 高速开关阀性能参数 t a ble3 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f h s vh i g h s p e e do n o f fv a l v e 额定电压 1 2 v d c 额定压力 额定流量 开放时间 关闭时间 熏复性 寿命 1 0 m p a 4 l m i n 3 5 m s 2 5 m s o 0 5 m s 不小于1 0 9 次 图3 4 是一种阀套运动式电磁高速开关阀，该阀具有滑阀稳定性好和锥 阀密封性能好、过流能力强、响应快等优点。 围3 4 动阀套式电磁高速开关阀 f ig u r o3 4h ig h s p o e do n o f fs o i e n o “dv a i v ew i t hm o v n gc o v e r 图中：1 为阀体，2 为外阀套，3 为右内锥阀芯，4 为左内锥阀芯，5 为 静铁芯，6 为复位弹簧，7 为动铁芯，8 为压盖，9 为左油道，1 0 为中间油道， 1 1 为右油道。 该阀的工作原理：做常闭式阀用时，其右端油道l l 为进油口，中间油道 1 0 为控制口，左端油道9 为回油口，电磁铁通电时，由于电磁力的作用，动 铁芯7 带动外阀套2 克服复位弹簧6 的阻力向左运动，直到左内锥阀芯4 与 左阀座压紧，由于液压力的作用，右内锥阀芯3 与右阀座分离：此时，进油 口1 1 与控制口1 0 连通，回油口9 与控制口1 0 断开，开关阀处于开启状态： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 断电时，动铁芯7 和外阀套2 在复位弹簧的6 的作用下向右运动，直到右内 锥阀芯3 与右阀座压紧，由于液压力的作用，左内锥阀芯4 与左阀座分离； 此时，进油口1 1 与控制口1 0 断开，回油口9 与控制口1 0 连通，开关阀处于 关闭状态。该阀做常开式阀时，其右端油道1 1 为回油口，中间油道l o 为控 制口，左端油道9 为进油口，动作原理与常闭时相似。该阀在工作时只有动 铁芯7 和外阀套2 运动，这与普通滑阀运动相似，但是，其行程比普通滑阀 要小的多，与锥阀结构相似。 该阀用于柴油机电控燃油系统时，给阀通电工作后，进油口与控制口连 通，回油口关闭，具有一定压力的共轨润滑油经过高速开关阀进入电控增压 泵的工作腔，通过增压组件进行液力放大，增压腔压力成倍增加后通过喷油 器进行喷射；高速开关阀断电后进油口关闭，控制口与回油口连通，工作腔 压力迅速下降，在复位弹簧的作用下，增加组件上行复位，增压腔燃油压力 下降，喷射停止。 图3 5 是一种杠杆式电磁高速电磁阀，该阀有高频电磁铁、杠杆机构和 球阀三部分组成。 8 2 l 图3 5 杠杆式电磁高速开关阀 卜顶杆2 一杠杆3 一高频电磁铁4 一阀体5 一钢球 f i g u r e3 5 p r yh j g h s p e e do n o f f s o le n o i dv a i v e 1 一p o ie2 一p r y3 一h i g hf r e q u e n c ye i e c t r o m a g n e t4 一b o d y5 一b a 阀的工作原理：计算机根据控制要求发出相应得脉冲信号，再经过脉宽 调制器和功率放大器，将脉冲信号调制和放大后发送给高速开关阀，当脉冲 信号为高电平时，高频电磁铁通电，通过杠杆机构推动顶杆克服弹簧力向右 重塾! 塑堡坐垄堕壁作用下一起向右运动，直到钢球顶在密封座面上为止 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 此时，压力油进油口p 与回油口t 连通，实现回油作用。当脉冲信号为低电 平时，高频电磁铁失电在弹簧和压力油的作用下，钢球向左运动，此时压力 油p 进入工作油路b ，实现系统工作。在工作的过程中，改变占空比可以控 制高速开关阀的平均流量大小和方向，实现对执行机构的运动速度和方向的 控制。 3 1 2 压电式高速开关阀 压电晶体式开关阀是用压电驱动器驱动的一种高速电磁阀，它具有响应 速度极快，体积小等特点而被广泛研究，在国外已经大量用于柴油机电控燃 油喷射系统。多层压电驱动器因驱动电压低，能量密度高，响应速度快，使 用寿命长，而在实际应用中应用广泛。多层压电致动器技术己在汽车的大量 应用上得到了验证，例如燃料注入系统和悬架系统。但是随着人们对压电材 料的不断研究，以及生产上的改进，多层压电驱动器的生产成本能够得到大 幅度的控制。国内在这方面的研究也有很多，比如四川压电2 6 所，上海硅酸 盐研究所，在生产工艺上也都有很大提高。 压电式高速开关阀流量较小，多用于喷射装置中，并且产品的商品化受 到在能接受的生产成本下而难以满足性能和可靠性这些困难的限制，同时压 电式驱动器的研究也不是很成熟。 3 1 3 超磁致伸缩式高速开关阀 近年来，国内外对于稀土铁化物超磁致伸缩效应的应用研究受到重视。所 谓的磁致伸缩效应是指，铁磁材料和亚铁磁材料在磁场的作用下将导致其体 积和长度发生微小变化的现象。把nl 、co 和fe 加到稀土中所形成的一 些化合物和非晶合金，因具有很大的磁致伸缩系数而称作超磁致伸缩，采用这 种材料制成的线性驱动器具有多种用途，其中是作为液压控制阀的电一机械 转换装置，具有切换速度快、频率高、能量消耗少等特点。国外已有机构在开 展有关的研究工作，而国内目前还未见有报导。 超磁致伸缩驱动器的结构如图4 所示。中心的超磁致伸缩材料棒为北京 科技大学产的瓦d ，凡( 1 2 l l o m m ) ，其下端用夹具固定，上端通过伸缩传递 轴和弹簧给磁致伸缩材料加上预应力。磁致伸缩材料的周围是产生驱动场的 激励线圈和冷却线圈用的铜水管。外围是磁轭( 碳钢) ，它与磁致伸缩材料一起 构成封闭磁路，以防漏磁。伸缩传递轴等其它零件均是非磁性不锈钢制成。超 磁致伸缩材料内部应变与激励磁场强度、材料特性常数、应力状态等直接相 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 关，其外部位移、力输出实为磁场一一弹性场相互耦合的结果。所以，适当配 置机械和电气的结构参数( 主要是预压缩应力和偏置磁场) ，可使超磁致伸缩 材料处于最优的机电耦合状态，提高能量转换效率。 箍 国匈 圈3 6 超磁致伸缩驱动器 f ig u r e3 6t h eg a “1 t _ a g n e t o s t r i c t ；v ed r i v e r 超磁致伸缩驱动器输出的位移通过一杠杆机构进行放大，对阀芯进行驱 动，当位移放大的同时，阀芯的驱动力却减小。由于超磁致伸缩驱动器不需要 弹簧复位，阀芯驱动力只需克服摩擦力即可，所以驱动力不需要很大。下图是 对现有的一种二位二通电磁阀改造而得到的超磁致伸缩式高速开关阀【2 5 i ，其 内部结构如图所示。弹簧的作用是消除位移放大杠杆及其它配合处的间隙， 所以不需要很大的刚度系数。 ， ， li， ， 一 p 图3 7 超磁致伸缩式高速开关阀的结构 f i g u r e3 7 t h es t r u c t u r eo fg a n t 鞠a g n e t o s t r i c t i v e h ig h s p e e do n o f fv a lv e 超磁致伸缩式高速开关阀的研究受到超磁致伸缩材料研究的限制，目前 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 只是很少的机构进行研究，实用性不强。 3 1 4比较研究的结论 通过对各种高速开关阀的分析研究，我们得出： l 、压电式高速开关阀和磁致伸缩式高速开关阀切换速度极快、频率较高， 但是，动态响应的非线性性、驱动器研究的不成熟、阀的流量较小等不足， 限制了它们的应用范围( 通常应用在先导阀和流量较小的喷射系统中) ，也 阻碍了实际的研究。相对来说，电磁式高速开关阀在实际的应用中和研究上 存在很大的优势，表3 一l 对这三种形式的高速开关阀进行了比较。 表3 1 t a b i e3 1 2 、通过对几种电磁式高速开关阀的研究，发现现有的电磁式高速开关阀 在大流量时，由于流道和结构的限制，存在响应较慢的问题；电磁高速开关 阀的研究和改进还有很大的空间，同时电磁高速开关阀的应用范围较广，对 这类阀的研究也比较有意义。 综上所述，我们的改进研究和设计是基于电磁式高速开关阀的。 3 2 高速开关阀的改进设计 3 2 1改进设计的基本思路 高速电磁开关阀是借助于控制电磁铁所产生的吸力，使得阀芯高速正、反 向运动，从而实现液流在阀口处的交替通、断功能的电液控制元件。高速响应 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 能力是高速电磁开关阀应具备的最重要的特性。在实际的工作中，系统对电 磁式高速开关阀的动态性能要求是阀芯的切换时间要短。而阀芯的切换时间 长短主要取决于电磁吸力的大小、阀芯运动组件的质量的大小以及各种阻尼 力的大小。但是，高速电磁开关阀存在有大流量与高速响应之间的矛盾，现 有的电磁式高速阀在大流量时响应比较慢，导致其公称流量和压力都很小这 些就限制了它的应用范围。如何解决这一矛盾，国内外的学者进行了很多研 究，下面根据对开关阀的研究，我们提出一种提高电磁开关阀响应速度的芯 套双动法。 我们的思路是：首先从分析流道入手，改进阀的结构，同时结合控制方 式的改进来对数字阀进行改进增大阀的开口梯度、减小液动力的影响，从而 提高阀的响应速度。 由于锥阀具有响应速度快、通流量大、结构简单、紧凑，油路最短，流 量、压力损失最小，因此我们的研究是以锥阀为主体的。我们以二位二通锥 阀式电磁阀为对象，提出一种芯套双动的方法，从结构上对阀进行改进。 摹毳 图3 8 芯套双动原理示意图 f i g u r e3 8 t h es k e t c hm a po ft h ep r in c ip ie w it ht h em o v e m e n to f s d o oj a n dc o v e r 上图是芯套双动原理示意图，虚线部分是阀的初始状态，实线部分是运 动中的状态。可以看出与一般普通阀不同的是，阀在运行时，阀芯、阀套同 时一起运动，在相同的时间里阀的开口度变大、在相同的开口度时阀芯的位 移量变小，很明显可以提高阀的响应速度、增大阀的流量，提高阀的稳定性。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 3 2 2芯套双动高速开关润的结构和工作原理 圈3 9 芯套双动高速开关阀 1 、6 一高速电磁铁2 、7 一弹簧3 一阀体4 一阀芯5 一阀套 f i g u r e3 9h i g h s p e e do n o f fv a l v ew i t hs p o o la n dc o v e rm o v i n g 1 、6 一h i g h s p e e de i e c t r o m a g n e t2 、7 一s p r i n g3 一b o d y4 一s p o o i5 一c o v e r 阀的工作原理：这是一个二位二通阀，计算机根据控制要求发出相应的 脉冲信号，再经过脉宽调制器和功率放大器，将脉冲信号调制和放大后发送 给高速开关阀，当脉冲信号为高电平对，高速电磁铁1 、6 通电，阎芯4 和阀 套5 分别向左和向右运动，高速开关阀打开，进油口p 与出油口t 连通，从 而对液压系统进行控制；当脉冲信号为低电平时，高频电磁铁失电在弹簧和 压力油的作用下，阀芯4 和阀套5 向相反方向运动，使阀关闭。 该阀在动作的过程中，阀芯、阀套同时运动，相对于传统的只有阀芯或 阀套运动的开关阀来说，此阀阀芯的位移量相对较小，阀的响应较快。 3 。2 。3 高速开关阀的驱动模块设计 高速开关阀功率驱动模块的设计决定了外部能量将以何种具体形式通 过电磁阀，亦即流经电磁线圈中的电流变化波形。驱动模块的形式不仅影响 输入能量的大小，而且还影响输入能量的变化速率，直接关系到电磁阀能否 满足快速响应等性能的要求。从驱动模块上进行改进也可以很好的提高高速 开关阀性能，这也是高速开关阀改进设计的一个方向。现在比较成熟的驱动 模块可分为如下两种：调压式和增压式驱动模块。 1 、调压式驱动模块 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 0 页 按工作方式的不同又可分为线性调压式驱动和p w m ( 脉宽调制) 调压式 驱动两种。线性调压式驱动采用1 2 v d c ，对其进行线性调节以得到合理的电 磁线圈驱动电流。p w m 调压式驱动具有节约能耗、电路结构简单、体积小等 优点。在相同工作条件下，p w m 驱动模块消耗的能量比线性驱动模块少近l 3 ， 因为当控制阀关闭后，p w m 驱动模块可以调节电磁线圈中的维持电流，而线 性调节器压驱动模块却只能提供定常的维持电流。 2 、增压式驱动模块 使用增压电路需要提供远高于1 2 v 的电压作为电磁线圈的驱动电压。在 控制阀初始运动阶段，提供更高的电压，使线圈中的电流以极高电流变化率 上升，保证电磁阔的快速响应性。当电磁铁吸台后，改为提供低电压以维持 控制阀的工作状态。增压式驱动模块可以提供快速、可预知、不受电平电压 变化影响的线圈电流上升波形，从而保证控制阀关闭始点的一致性。但其电 路设计比调压式驱动模块复杂，能耗高。 3 2 4 芯套双动阀的主要技术参数 根据对数字开关阀现状的分析以及液压阀参数的选择和计算方法的研 究，我们初步确定芯套双动阀的基本参数如下； 额定压力：1 6 m p a 额定流量q 。：l o 叫m j n 控制电压：2 4 v 阀芯直径：6m m 最高切换频率：1 5 0 h z 阀芯最大行程约为：0 2 m m 阀套最大行程约为：o 2 m m 3 3 小结 本章主要研究的有： 1 、对几种电磁式高速开关阀、压电式高速开关阀以及超磁致伸缩式高速 开关阀进行了研究比较，得出压电式和超磁致伸缩式高速开关阀存在成本高、 型