（机械电子工程专业论文）大流量高响应比例节流阀的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 压铸机是压铸生产中重要的基础技术装备，对压铸件的质量、生产效率等有 着直接的影响。近年来随着汽车工业的迅速发展，我国压铸机行业以前所未有的 速度向前发展。应用于压铸机的大流量高响应节流阀是实现高性能压铸机的一项 重要研究内容。本论文着重阐述了一种应用于压铸机的大流量高响应比例节流阀 的设计、仿真和试验。 本文通过分析压铸机压铸工艺对节流阀的性能要求，并参考国外现有元件的 研究成果，提出了一种新型的大流量高响应比例节流阀的结构方案。该方案为三 级放大结构，先导级采用比例电磁铁推动的四边滑阀，放大级采用伺服活塞，主 级采用插装阀。先导级和放大级之间采用位移一力反馈控制，主级与放大级之间 采用快速随动控制。为了达到阀的阶跃响应的性能要求，对影响先导级阶跃响应 性能的主要因素进行了分析，并对比例放大器控制下的比例电磁铁的阶跃响应性 能进行了仿真和试验分析。 本文通过对比例节流阀的内部结构原理、液压半桥控制原理和级间反馈等原 理的分析，阐明了该阀的工作原理。接着建立了阀的数学模型，运用a m e s i m 软 件对阀的动态性能进行了仿真分析，并讨论了相关参数对阀动态特性的影响。在 仿真的基础上对阀的各级参数进行了匹配优化，完成了阀的详细结构设计并研制 出大流量高响应比例节流阀样机。 根据阀的大流量高响应的特点，本文设计了以蓄能器提供瞬时大流量、以无 载伺服缸测量瞬时流量的试验方案。搭建了大流量高响应比例节流阀的试验台并 对该阀的阶跃响应性能进行了测试。试验结果表明本文所研制的大流量高响应比 例节流阀的输出流量比例可调其阶跃响应性能基本达到了设计要求。 关键词：压铸机；比例节流阀；液压半桥；大流量；高响应；仿真 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t d i ec a s t i n gm a c h i n ei si m p o r t a n tt e c h n i q u ee q u i p m e n ti nd i ec a s t i n gw h i c hh a s ad i r e c t e f f e c to nt h eq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n s i nc h i n a ，ar a p i d l y g r o w i n go fa u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e np r o m o t i n g t h ed i ec a s t i n gi n d u s t r yi nr e c e n t y e a r s t h el a r g ef l o wa n dh i g hr e s p o n s ep r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v ei so n eo f t h em o s t i m p o r t a n tc o n t e n ti n t h eh i 【g hp e r f o r m a n c ed i ec a s t i n gm a c h i n e t h i st h e s i s e l a b o r a t e st h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to ft h el a r g ef l o wa n dh i g hr e s p o n s e p r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v e an e ws t r u c t u r ed e s i g no fl a r g ef l o wa n dh i g hr e s p o n s ep r o p o r t i o n a lt h r o t t l e v a l v ei sp r e s e n t e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h er e q u e s to nt h r o t t l ev a l v e sp e r f o r m a n c ea n d r e f e r e n c i n gt of o r e i g nc o m p o n e n t so ft h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t t h es o l u t i o n s s t r u c t u r eh a st h r e es t a g e s ，t h ep i l o ts t a g ei sf o u r - s l i d e v a l v ew h i c hi sd r i v e nb y p r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t ，t h ea m p l i f i e rs t a g ei ss e r v oc y l i n d e r ，a n dt h em a i ns t a g e i s c a r t r i d g ev a l v e d i s p l a c e m e n t - f o r c e f e e d b a c ki su s e db e t w e e np i l o ts t a g ea n d a m p l i f i e rs t a g e ，w h i l er a p i dt r a c k i n gc o n t r o li su s e db e t w e e na m p l i f i e rs t a g ea n dt h e m a i ns t a g e t h ei n f l u e n c ef a c t o ro ft h ep i l o ts t a g e ss t e pr e s p o n s ep e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i so fp r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t ss t e p r e s p o n s ep e r f o r m a n c ei nt h ec o n t r o lo fp r o p o r t i o n a lc o n t r o la m p l i f i e ri sd o n ei no r d e r t om e e tt h ed e s i g nd e s i g n i n gr e q u i r e m e n t s t h i st h e s i se l a b o r a t e st h ep r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v e sp r i n c i p l eb ya n a l y s i so f t h e v a l v e ss t r u c t u r e ，h y d r a u l i ch a l f - b r i d g ep r i n c i p l ea n ds t a g ef e e d b a c k t h e nb u i l dt h e v a l v e sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n a l y s i st h ev a l v e sd y n a m i cp e r f o r m a n c e sb yu s eo f a m e s i ma n dd i s c u s st h ei n f l u e n c e so fr e l a t i v ep a r a m e t e r s e a c hs t a g e sp a r a m e t e r s a r em a t c h e da n do p t i m i z e do nt h eb a s i so fs i m u l a t i o n t h ed e t a i l e ds t r u c t u r a ld e s i g ni s f i n i s h e da n dt h ep r o t o t y p eo ft h el a r g ef l o wa n dh i g hr e s p o n s ep r o p o r t i o n a lt h r o t t l e v a l v eh a sb e e nd e v e l o p e d t h et e s ts c h e m ei s d e s i g n e d w i t hl a r g et r a n s i e n tf l o wr a t e s u p p l i e db y a c c u m u l a t o ra n dt h et r a n s i e n tf l o wr a t em e a s u r e db yz e r ol o a ds e r v o c y l i n d e r t h e l a r g ef l o wa n dh i g hr e s p o n s ep r o p o r t i o n a lt h r o t t l ev a l v e sp e r f o r m a n c e sa r et e s t e d w i t ht h et e s tb e d t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ev a l v e so u t p u tf l o wi sp r o p o r t i o n a l l y a d j u s t a b l ea n di t ss t e pr e s p o n s ep e r f o r m a n c eh a sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：d i ec a s t i n gm a c h i n e ； h a l f - b r i d g e ；l a r g ef l o w ；h i g hr e s p o n s e ； p r o p o r t i o n a l t h r o t t l e v a l v e ；h y d r a u l i c s i m u l a t i o n 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘茎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：蒯 学位论文版权使用授权书 7 月7 日 本学位论文作者完全了解澎姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：颓寺7 致亏 签字日期：2 卯7 年夕月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 黜名：弛嗡 签字日期：a 。7 年月日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 课题的研究背景 压力铸造( 简称压铸) 是在高压作用下，使液态或半液态金属以极高的速度 充填在压铸模的型腔内，并在高压下将熔融合金冷却凝固成形的一种铸造方法。 由于压铸具有铸件尺寸精度和表面光洁度很高、可形成形状复杂的薄壁铸件和生 产效率极高等特点，因此被广泛应用在国民经济的各个行业，如兵器。汽车、航 空航天产品的零部件以及农业机械、电子工业、国防工业、家用电器等许多行业， 在国民经济发展中占有重要的地位【l 】。 压铸机一般主要由合模机构、压射机构、液压系统和控制系统等部分组成【2 j 。 压射机构是决定压铸机性能好坏的关键部分，其结构性能决定了压铸过程的压射 力、压射速度及增压压力建立时间等主要的技术参数。铸件的表面质量、轮廓尺 寸、致密性和机械性能等很大程度上由压射过程中压射缸的压力和压射冲头的运 动过程等工艺参数决定。早期的卧式冷室压铸机的压射过程只有一个速度，但随 后不久就分解成慢速和快速两个阶段。后来为了增加铸件的致密度，在慢速和快 速之后增加了一个压力提升的阶段，形成了经典的三级压射过程。目前压铸机压 射性能的两项关键指标之一的最大空压射速度普遍为6 8 m s ，高的达l o m s 以 上；另一项增压阶段的建压时间，一般为2 0 3 0 m s ，高水平的则小于l o m s 。这 些性能的都是在压射系统的机械结构、液压系统、控制系统等方面不断改进和创 新的基础上实现的【3 1 。而液压系统中决定压射性能的一个关键元件就是大流量高 响应的节流阀。 压铸机电液控制系统按其发展历程及压铸工艺参数的调节方式可分为手调 式电液控制系统、电液比例控制系统和电液伺服实时控制系统三种类型。电液比 例调节式压铸机压射机构的液压系统原理图如图1 1 所示。其工作原理大致如下： 在浇料口封闭后压射冲头将熔融的金属填充压室时，电磁铁s l 和s 3 得电，主液 压油源的压力油经过换向阀( 2 ) 进入压射缸无杆腔，压射缸有杆腔的油液经二通 插装式换向阀( 5 ) 回到油箱，此时压射冲头以较慢的运动速度前进，此过程即慢 压射过程。当熔融的金属充满压室开始通过内浇1 3 进入型腔时，为获得较好的压 铸质量，要求较高的压射速度。此时，插装式比例节流阀( 3 ) 得到一个指令信号 而打开，主蓄能器( 7 ) 中的压力油经节流阀进入压射缸无杆腔，形成瞬时的大流 量，使得压射冲头快速前进，此时的压射冲头的速度称为快压射速度。快压射速 度主要由主蓄能器压力、节流阀( 3 ) 的阀i ：1 开度和负载情况决定，通过改变比例 节流阀( 3 ) 的指令信号的大小可以实现对快压射速度的调节。当熔融金属充满型 腔后，冲头前进的阻力迅速增大并迫使冲头停止运动，为了增加压铸件内部金属 浙扛大学硕士学位论文 组织的致密度并使熔融金属充满模型腔的每个角落，要求熔融金属在较高的压力 下冷却。因此此时控制比例节流阀( 4 ) 迅速打开，增压蓄能器( 8 ) 内的高压油迅速 迸入增压缸大腔，并在压射缸的无杆腔产生数倍于增压储能器压力的高压，此压 力通过冲头作用在熔融金属上，产生所需要的金属冷却压力。快压射动作和增压 动作的可由位置或者压力触发。此类压铸机的整机控制一般由p l c 和工控机共同 完成，p l c 主要负责整机动作的协调，而工控机用于对压铸过程的工艺参数进行 采集并显示1 4 j i 1 。 图1 - 1 压铸工艺参数电液比例调节控制系统原理图 1 一截止阀2 一换向阀3 一插装式比例节流阀4 一插装式比例节流阀5 一二通插装式换向阀 6 二通减压阀7 一主储能器s 一增压储能器9 行程开关1 0 一单向阀1 1 一压射缸 1 2 一模具1 3 一压力传感器1 4 - 两位三通电磁换向阀1 5 一光电编码器 压铸压力、压铸速度是压铸过程中的主要工艺参数，图1 1 2 所示为典型的三 级压射过程中压铸压力、冲头速度、冲头位移随时间的变化曲线。压铸的开始阶 段为匀加速慢压射阶段，然后要求在很短的时间内达到设定的充型速度( 最大空 压射速度超过l o m s ，最大工作速度达6 m s ) 。由于整个充型阶段时阔一般为2 0 8 0 m s ，所以要求控制阀在很短的时间内( 一般小于2 0 m s ) 打开。且瞬时流量达 4 0 0 0 l m i n 以上。同时在增压阶段要求建压时间短( 一般小于3 0 m s ) ，压力超调 小( 一般不超过5 ) 。要达到以上技术指标，就需要一只响应足够快，流量足 够大的节流阀。节流阀性能的好坏在一定意义上也就决定了压铸及的性能。 2 浙江大学硕士学位论文 在电液伺服实时控制的压铸机系统中，为了使控制有效，压射控制系统必须 能够以只相当于一次充填所用时间的大约1 0 ，l l j l 2 8 m s 的响应时间来控制速度 曲线f “o l 。要实现这样的响应速度，在目前的技术条件下只有伺服阀才能胜任。 本课题的研究目的在于研究一种高响应、大流量的比例节流阀，用于电液比例控 制的压铸机系统，因此只对电液比例控制的压铸机系统的一些工作情况作较详细 的介绍。 咖 7 r 位置一 r 盖度、筠 _ l 鼽一7 l 一p 学 l fi、 图1 - 2 压铸压力、冲头速度、冲头位移随时同的变化曲线 1 1 2 课题的研究意义 压铸是近代金属加工工艺发展较快的一种高效率、少无切削的金属成型精密 铸造方法，由于与其他铸造方法比较，具有生产工艺流程短、工序简单而集中， 不需要繁多的设备和庞大的工作场地，铸件质量优、精度高、表面光洁程度好等 优点，因而广泛应用于国民经济生产中的各个行业。随着中国汽车工业的崛起和 发展，对压铸机的需求量逐年增加，中国的压铸业面临巨大的发展机遇和强有力 的国际竞争。国产压铸机的生产已经初具规模，但国产压铸机的液压控制系统中 的关键元件基本都是进口元件，价格昂贵 1 1 - 1 2 】。因此，有必要对大流量、高响应 的比例节流阀进行研究，实现电液比例控制压铸机的液压系统关键元件的国产 化。同时，课题的研究方法和结论对其他液压元件的研制也具有一定的参考价值。 因此，本课题的研究不仅实用意义明确，而且也具有一定的理论价值。 1 2 国内外研究现状分析 由于压铸的特殊工艺要求，节流阀必须能够在很短的时间内( 一般小于 2 0 m s ) 打开的合适的开度，同时不能有太大的超调。而节流阎的额定流量和阶 跃响应速度( 由0 到l o o 阀口开度的响应时间) 是一对互相制约的参数，要在很 大的额定流量下获得如此快的响应速度，同时又不能有大的超调，是非常困难的。 3 啪 蜘 枷 如 期 御 。 浙江大学硕士学位论文 针对压铸机对节流阀的特殊要求，目前国际上知名的液压件生产厂商都设计 制造了各自的大流量节流阀，如m o o g 、r e x r o t h 、p a r k e r 、a t o s 等。以5 0 通径的 大流量节流阀为例，各大厂商的阀各有自己的特点，但总体架构上基本类似，均 采用了多级放大结构。它们的主级均采用主动式插装阀，而先导级由一个高响应 的控制阀组成，并且都在主阀芯上安装有l v d t 位移传感器，通过集成在阀上的 放大板对主级阀口的开度进行闭环控制，以提高阀的动态性能。 图1 - 3m o o g5 0 通径二通伺服阀结构示意图”】 图1 - 4m o o g5 0 通径何服阀先导级( d 6 6 1 ) 结构示意图f 州 4 浙江大学硕士学位论文 图1 - 5r e x r o t h5 0 通径二通插装伺服阀结构示意图 1 5 】 图i - 6 a t o s5 0 通径二通插装式比例伺服阀结构示意图l j 6 】 m o o g 公 的5 0 通径的二通伺服插装阀的结构如图l 一3 所示，先导级采用的 m o o g 生r _ 产的d 6 6 1 型二级伺服阀，如图1 4 ，其伺服先导级为射流管式伺服阀，经 过一个滑阀进行流量的二级放大。二级伺服阀的额定流量为3 5 l m i n ( a p = 5 b a r ) 。 5 浙江大学硕上学位论文 因为先导级的流量只有3 5 l r a i n ，而主级阀芯的最大行程为1 4 n u n ，因此在主阀芯 的控制上选用一定面积比的环形面积进行控制，以减小主阀芯运动时造成的控制 腔容积的的变化大小，使得先导流量满足控制腔容积变化时的流量要求。通过在 主级阀芯上安装l v d t 位移传感器对主级阀口开度进行位置闭环控制。 r e x r o t h 公司生产的5 0 通径二通插装伺服阀的结构示意图如图1 5 所示，它的 先导级同样采用的是二级伺服阀，但伺服阀的先导级采用的是喷嘴挡板式伺服 阀。二级伺服阀的额定流量为8 0 1 d r a i n ，主级阀芯的最大行程为1 5 t m n 。在先导级 对主阀芯的控制上同样采用一定面积比的环形面积进行控制，而主级的阀芯的位 置由安装在主阀芯上的l v d t 位移传感器进行反馈控制。 a t o s 公司的l i q z o - l e 系列高响应插装式比例节流阀的结构如图1 - 6 所示，由 于先导级采用的是高响应的动铁式比例阀，可以直接提供4 0 l r a i n 的流量，因此 阀的整体结构为两级放大型式。先导级同样通过主级阀芯上的一定面积比的环形 面积控制主级阀芯的运动，配合安装在主级阀芯上的l v d t 位移传感器对主阀芯 进行位置闭环控制。p a r k e r 公司的5 0 通径高响应插装式比例节流阎的结构与a t o s 的基本一样，不同之处在于p a r k e r 公司的阀的先导级采用的是其最新开发的动圈 式比例阀，极大的提高了先导阀的动态响应性能【l ”。 表i 1 给出了上述公司生产的大流量节流阀的先导级构成特点和性能参数的 比较。 表1 1 国外厂商的大流量节流阀的性能比较表 厂家m o o g r e x r o t hp a r k e ra t o s 先导级形式射流管式伺服阀喷嘴挡板式伺服阀动圈式比例阀动铁式比例阀 阶跃响应时间 1 5 m sl d m s1 6 m s2 0 m s 抗油污能力较差 差较好好 额定流量( 5 b a r )2 7 0 0 l m i n1 6 0 0 l m i n2 0 0 0 l m i n2 0 0 0 l m i n 价格高高较高较低 从上表可以看出，各公司的大流量伺服节流阀的主要区别在先导级的选择 上。r e x r o t h 公司采用喷嘴挡板式伺服阀作先导级，由于挡板质量小，频响高， 因此具有很快的阶跃响应，但抗油液污染能力差，生产成本较高，另外其阶跃响 存在一些超调。m o o g 公司采用射流管式伺服阀做先导级，其抗油液污染能力较 强，且超调量较小( 几乎没有) ，但动态响应特性稍差。p a r k e r 公司采用了最新 研制的动圈式比例电磁铁作为先导级的电机械转换器，先导阀芯为滑阀结构，在 基本不损失其动态性能的情况下，大大改善了先导级的抗油液污染能力，同时具 有较低的制造成本”8 1 。a t o s l j 采用高响应的比例伺服阀作为先导级，其大范围跳 变的响应时间与其他公司的几种阀相比性能基本相当，而小范围的动态响应特性 6 浙江大学硕士学位论文 则相差较大。但其制造成本较低，同时抗油液污染能力也得到大幅度的提高，因 此在欧洲压铸机市场也得到了广泛的应用。 目前国内的液压件厂商尚没有类似的产品。 1 3 研究内容 本文主要研究种大流量高响应的比例节流阀用于压铸工艺参数电液比例 调节控制系统的压铸机中，在满足系统性能要求的前提下尽量降低生产制造成 本。由于压铸过程是一个不断重复循环的过程，因此在整个控制系统上可以通过 压铸机压射杆上的光电编码器的反馈信号实现大的闭环控制。也就是说，在一次 压射过程中，比例节流阀按事先设定的参数打开到一定开度，在一次压射结束后 工控机将上一次的压射杆的运动速度与实际需要的压射速度相比较，如果速度超 过设定的误差范围，则自动调节下一次压射时比例节流阀的参数，最终实现实际 压射参数与设定参数达到一致。这种控制策略的优点是结构简单，控制方便，同 时对传感器和阀的性能要求相对较低。 本文的第二章中，在分析比较各种设计方案的优缺点的情况下，确定了一种 经济可行的方案，并完成了先导级，放大级和主级的结构设计。 论文第三章中分析了阎的数学模型，并采用a m e s i m 和m a t l a b 进行逐级仿 真，对阀的结构参数进行优化设计。 论文第四章中针对该阀大流量高响应的特点，设计试验方案并搭建了试验 台，最后完成了阀的性能测试，得出试验数据。 1 4 本章小结 本章第一节先介绍了大流量高响应比例节流阀的应用背景，并对压铸工艺对 阀的性能要求进行了一定的分析，然后介绍了本课题的研究意义。 第二节介绍了国外多种大流量高响应的插装伺服阀，并对其结构特点的性能 参数进行了分析对比。 第三节对本课题的研究内容进行了概要介绍。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章大流量高响应比例节流阀的设计 2 1 概述 2 1 1 节流阀的分类 节流阀是一种最简单的流量阀，它的受控参数不是流量，而是主阀芯的轴向 位移或转角。按控制方式的不同，一般可分为手动节流阀，电液比例节流阀和伺 服控制节流阀。而按对功率级的控制方式，又可分为直接作用式和先导控制式。 直接作用式结构由于阀的输出功率受比例电磁铁的限制，因此一般只能用于小通 径的节流阀。在工程应用中，大于l o 通径的比例节流阀一般多采用先导控制型结 构1 1 9 1 。另外根据阀内所含的反馈方式不同，比例节流阀又可分为位移一力反馈 型和位移一电反馈等类型。位移一力反馈型的主阀芯位移经反馈弹簧提供反馈 力，作用到先导阀芯上与比例电磁铁的电磁力相平衡，使先导阀芯稳定在某一平 衡位置上，从而使输出的阀芯位移与输入的控制电信号成比例。位移一电反馈型 则采用位移传感器来测量阀芯的位移作为反馈，比例电磁铁的电磁力克服复位弹 簧的弹簧力和液动力控制阀芯运动到设定的位置。位移一力反馈型结构简单可 靠，成本低廉，但其控制精度受放大器和比例电磁铁的非线性、阀芯、弹簧等的 制造误差以及摩擦力、液动力等的影响。而位移电反馈型比例节流阀的的上述影 响因素均可由电反馈闭环所抑制，只要位移传感器的精度足够高，阀的稳态精度 就可以达到相当高的水平1 9 】【2 0 l ，但缺点是结构复杂、成本高、实现难度大。 2 1 2 节流阀的结构 大流量的节流阀的一般采用先导式结构，主级可以是二通插装阀，或是滑阀 结构。二通插装阀具有流通流量大，动态响应快，标准化程度高的优点，因此， 大于1 6 通径的阀，大多都采用二通插装阀结构。对于3 2 通径以上的比例和伺服 节流阀，为了保持一定的动态响应速度以及较好的稳态控制精度，一般采用三级 控制方案【1 9 1 1 2 1 1 。 2 1 3 总体方案 由于压铸工艺要求，压铸机在快速压射阶段需要的瞬时流量达4 0 0 0 l m i n 以 上，要实现如此大的流量，在阀的主级上基本上只能选择二通插装阀结构。而 5 0 通径的二通插装阀在压差为5 b a r 的条件下流量一般可达2 0 0 0 l r a i n ，因此初 步将阀的主级确定为5 0 通径的二通插装阀。 由于该阀是为电液比例控制的压铸机而设计，系统在控制方式上不要求阀口 开度的实时控制，根据国外同类产品的分析比较可知先导级采用高响应的比例阀 结构也能满足性能上的要求，同时还可以降低成本。在级间反馈形式的选择上， 8 浙江丈学硕士学位论文 虽然位移一力反馈型存在稳态误差受比例电磁铁位移力特性、摩擦力和液动力等 影响的缺点，但通过在比例控制放大器中加入适当频率和幅值的颤振信号后，也 能达到相对满意的精度1 2 2 】。而位移一电反馈方案由于成本高，实现难度大，暂 不采用。由于受比例电磁铁提供的功率限制，先导级为了获得较快的响应速度， 往往只能提供比较小的流量。而主级为了得到较高的响应速度，需要大的控制流 量，因此通常需要在主级和先导级中问再增加一个放大级。此外，由于压铸机使 用中的系统安全方面的要求，还需要增加一个使能阀：在使能阀没有使能时，主 阀处于可靠的关闭位置；只有使能阀使能后，主阀才接受指令信号打开。 综上，总体方案为：采用一个高频响的比例阀控制作先导级，先导级信号经 放大级放大后再控制一个作为主级的二通插装阀，反馈方式上采用位移一力反馈 结构。 2 2 阀的工作原理 本课题研究的比例节流阀的液压原理图如图2 一l 所示，该阀采用三级放大的 位移一力反馈结构，主级采用5 0 通径二通插装阀，先导级采用由高响应的比例电 磁铁驱动的三位四通换向阀，先导阀芯通过反馈弹簧作用在一个伺服活塞杆上， 活塞杆的另一端作用在主阀芯上。此外在先导回路上集成了一只换向阀，起安全 保护作用。 工 图2 1 比例节流阀液压原理图 1 ) 开启状态 当两位四通换向阀使能后，两位四通换向阀处于截止位，比例电磁铁输入一 足够大的电信号时，首先先导阀芯在电磁力作用下迅速向下移动，使先导阀处于 上位导通状态，x 口的控制压力油经先导换向阀进入2 腔，而1 腔中的油液则经先 导阀回到泄油e l y 。由于2 腔压力增大，1 腔压力减小，伺服活塞在油液压力作用 下向上移动，压缩反馈弹簧，直到弹簧压缩产生的弹力与比例电磁铁的电磁力相 9 浙江大学硕士学位论文 等时，先导阀芯在反馈弹簧的作用下回到中位。此时伺服活塞向上移动的位移与 弹簧的压缩变化量相等。由于伺服活塞向上移动，3 腔到a 口的油路被打开，在 固定液阻r 的阻尼作用下，从b 口进入3 腔的油液流量小于从3 腔流向a d 的流量， 3 腔油压迅速降低，主阀芯在b 口油压作用下向上移动，主阀芯打开。主阀芯向 上移动直到伺服活塞杆逐渐将a h 与3 腔的油路关闭。活塞杆将a 口与3 腔关闭时 阀口实际上构成一个可变液阻置，它与固定液阻r 构成一个b 型先导液桥【2 3 1 ，如 图2 2 。当可变液阻月变化到一个合适的值时3 腔的压力p 3 作用在主阀芯上的 力与压力油i z i b 和工作油v i a 作用在阀芯上的力达到平衡。因此整个过程中主阀 芯的位置实际上是跟随伺服活塞杆移动的，而伺服活塞杆的位移又由比例电磁铁 的输出力决定，因此主阀芯的位移实际上也就是由比例电磁铁的电磁力决定的。 图2 - 2 主阀芯控制液桥示意图 主阀芯如果采用直接由伺服活塞杆推动的方案，或是如图1 3 所示m o o g 二通 伺服插装阀的主级由主阀芯上的环形作用面积推动，则由于主阀芯的质量较大， 要获得较高的动态响应性能，作用在主阀芯上的力要足够大。在控制压力一定的 条件先要增大控制力，则必须增加活塞面积或环形作用面积。由于主阀芯的运动 行程是一定的，增大活塞面积或环形作用面积的同时也就增大了控制腔的大小。 在先导阀流量一定的条件下，控制腔容积越大，则完成阶跃响应需要的时间越长。 本课题设计的大流量高响应比例节流阀巧妙的在主级应用一个b 型液压半桥来 控制主阀芯，在先导液桥选取合适的参数后能达到较快的响应速度【2 引。 2 ) 关闭状态 在两位四通电磁换向阀使能后，比例电磁铁没有输入信号时，先导阀芯在反 馈弹簧作用下，处于下方位置。控制i e i x 的压力油经先导阀进入到伺服活塞的无 秆腔1 ，伺服活塞的有秆腔2 的压力油经先导阀流到泄油n y 卸荷。伺服活塞在液 压力作用下处于下方的极限位置活塞杆将主阀芯中3 腔到a 口的油路关闭，b i e i 的压力油经过固定液阻r 进入3 腔。由于主阀芯上腔的压力增大，主阀关闭。也 就是说，在比例电磁铁没有无输入信号时，该阀处于关闭状态。 1 0 浙江大学硕士学位论文 3 ) 失能状态 当两位四通换向阀失电时，换向阀处于导通状态，此时从x 口来的压力油经 两位四通换向阀进入到在伺服活塞的无杆腔1 ，伺服活塞有杆腔2 的油液经两位四 通换向阀流向泄油v i y 。由于两位四通换向阀的流量比先导级要大很多，此时三 位四通先导阀无论处于哪个状态，伺服活塞杆都会在油液的压力作用下被压在下 方的极限位置。由于伺服活塞杆关闭了先导液桥的可变液阻r ，主阀芯在液压 力的作用下也处于关闭状态。也就是说，在两位四通换向阀失电的时候，无论比 例电磁铁输入多大的指令信号，该阀都能可靠的关闭，起安全保护作用。 2 3 阀的结构设计 根据图2 1 所示的原理图，对阀的结构进行设计得到如图2 3 所示的整体结构 原理图。本节主要以从主级到先导级的顺序逐步对阀的结构进行设计和计算。拟 达到的性能参数如下： 通径：5 0 眦i ；最高工作压力：3 1 5 m p a 额定流量：1 6 0 0l m i n ( 主阀口压差为5 b a r ) 动态性能：l o 9 0 额定流量之间的阶跃时间4 0m s 主 图2 3 阀的整体结构原理示意图 岁 泄 b 口 淅扛丈学硕士学位论文 2 3 1 主级的设计 根据标准“d i ni s 0 7 3 6 8 1 9 9 4 ：液压传动一二通盖板式插装阀一插装孔”， 5 0 通径的插装阀阀套的外径大小为6 8 m m ，取阀套的厚度为6 r n r n ，则阀芯的外径 为5 6 m m 。由图2 3 可知该阎是单向工作的，工作时油液由b 口流向a 口的，要提 高阀的动态响应性能，b 腔压力油作用在阀芯上的面积应该尽可能的大一些。而 为了使阀的流通能力更高一些，又需要a 腔的作用面积大一些。暂取阀座的直径 为4 3 5 m m ，则a 腔的作用面积 s ：丝：型堕堂：1 4 8 5 m m ： ( 2 ，1 ) 44 b 腔的作用面积 s。：!垡塑314x(562-4352)976m所2 ( 2 2 ) 一= 一= y ，o m m l z 二j 。44 以5 b a r 压差时流量为1 6 0 0 u m i n 对主阀口的最大过流面积进行估算，则根据 阀口流量压差公式： 厂 q - q _ 怙卸 q 3 式中： q 一流量，m 3 s ； c d 一流量系数； a 一阀口通流面积，m 2 ： p 一液体密度，t e e m 3 ： a p 一阀口前后的压差，p a ： 由于阀口采用的是薄刃锐边结构，阀口的液态流动状态大多为紊流工况，故 流量系数c d 可以近似取常数。取流量系数0 6 2 ，液体密度8 7 0 k g m 3 ，经计算得到 最大过流面积s = 1 2 7 0 m m 2 。以全周阀口形式进行计算，则满足最大过流面积时的 阀芯位移至少应为 ：上：! 婴：1 1 6 川m( 2 4 ) y d3 1 4 4 3 5 根据压铸机的实际使用工艺要求，如图1 - 2 所示，慢压射速度需要在0 1 o 8 m s 的范围内调整，而最大工作压射速度达6 m s 以上。为了提高压铸机在慢压 射阶段的速度控制精度，同时又能满足快压射时系统对流量的要求，因此在主级 的阀口采用前半段为三角型开口，后半段为全周开口的结构型式，如图2 4 所示。 】2 浙扛大学硕士学位论文 图2 _ 4 阀芯阀套剖面图 1 0 形圈和挡圈2 一主阀芯3 一主阀套 由于主阀芯阀口有一部分采用三角形窗口，损失了一些过流面积，因此需要 适当的增加主阀芯的行程以满足最大过流面积的要求。图2 5 为三角窗口行程为 8 m m ，阀芯总行程为1 4 5 m m 时的主级阀口过流面积一阀芯位移曲线。由公式 ( 2 3 ) 可知，在阀口压差恒定时阀的流量与阀口过流面积成正比，因此阀的流 量增益也是如图2 4 所示渐进式的：在小开度时流量增益较小，大开度时流量增 益较大，有效的兼顾了小流量时的调节精度和大流量时的流量调节范围的要求。 1 0 0 1 2 0 0 n1 0 0 0 t e 9 0 0 昏 e o o 煺 期4 0 0 2 0 0 0 o24681 01 21 4 阔芯位移( m m ) 图2 5 主级过流面积一阀芯位移曲线 2 3 2 主级控制液桥的结构设计 主级控制液桥的原理示意图如图2 2 ，要确定固定液阻和可变液阻的取值， 1 3 浙江大学硕士学位论文 必须分别考虑阀芯在关闭、打开和平衡工况时的情况。 1 ) 关闭工况 要使阀芯关闭。阀芯上腔应为高压，即3 腔的压力p 3 要高到足以克服a 、b 腔作用在阀芯上的力。这时需要可变液阻r 的过流面积相比固定液阻r 足够小或 是可变液阻r 完全关闭。阀芯由1 0 0 0 做阶跃变化时，由于阀芯的运动控制 腔3 的容积变大，要保持控制腔压力不变，由b 腔流向控制腔的油液的体积应等 于控制腔3 的容积变化量。而b 腔流向控制腔的流量大小由固定阻尼r 的大小决定 ( 假设可变阻尼处于完全关闭状态) 。根据阀芯的外径和行程可以计算得到控制 腔的容积变化量 y = 万d l = 3 1 4 5 6 x 1 4 5 = 3 5 7 脚，( 2 5 ) 假设阀芯关闭时的阶跃响应时间为4 0 m s ，则阶跃时需要的流量为 d a v 3 5 7 x 6 0 ：5 3 6 l m i n( 2 6 ) 。t4 0 1 假设整个阶跃过程为匀加速过程，则由公式s = 去口，2 ，代入数值s = 0 0 1 4 5 m ， 二 t - - 0 0 4 s ，计算得到加速度a = 1 8 1 坍s 2 。在不考虑阀芯受到的稳态液动力、阻尼 和摩擦等的影响下列阀芯在运动过程中的受力平衡方程可得： b ( s a + s b ) + ，= b 墨+ 只e + 肌a ( 2 7 ) 式中： 只一控制腔压力： 只一a 腔压力； 弓一b 腔压力； 只一a 腔作用面积； 品一b 腔作用面积： f 一复位弹簧弹力； i n 一阀芯质量； a 一阀芯加速度。 已知b 腔压力为1 4 0 b a r ，a 腔压力o b a r ，阀芯质量为1 1 6 k g ，复位弹簧弹力 忽略不计，则可以计算得到控制腔压力应该为5 5 9 b a r 。 由式( 2 6 ) 计算已知阶跃响应时通过固定阻尼r 的流量要大于5 3 6 l m i n ， 因此由公式( 2 3 ) 可以计算得出固定阻尼r 的过流面积应大于1 0 3 m m 2 。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 ) 开启工况 阀芯打开时，控制腔的压力相对较低，假设打开过程为匀加速过程，同样可 列出平衡方程： 只( 邑+ s a ) + f + 埘a = 弓。晶+ 只。s a ( 2 8 ) 代入相应的数值可计算得出控制腔压力应小于5 5 。2 b a r 。假设阀芯打开时的阶 跃响应时间是4 0 m s ，则同样可知阶跃响应时实现控制腔容积变化3 5 7 m l 需要通过 可变阻尼r 的流量要大于5 3 6 l m i n 。由于此过程中b 腔与控制腔3 的压差为 8 4 8 b a r ，此时b 腔通过固定阻尼r 流向控制腔3 的流量约为5 3 6 l r a i n ，因此阀芯由 o 1 0 0 阶跃时实际需要的通过可变阻尼r 的流量应为1 0 7 2 l r a i n 。由公式 ( 2 3 ) 可以计算得知可变阻尼尺的过流面积应大于2 5 6 r a m 2 。 3 ) 平衡工况 当阀芯处于开启的某个平衡位置时，此时的阀芯受到的液压力是平衡的，且 通过固定液阻r 流进控制腔3 和通过可变液阻流出控制腔3 的流量也是平衡的。由 受力平衡可以计算得出控制腔3 的压力为5 5 5 b a r 。由流量平衡可以计算得出此时 可变阻尼震的过流面积应等于固定阻尼r 的过流面积的1 2 3 倍。 以上计算由于忽略了液动力、阻尼等的影响，因此仅仅是一些设计估算，实 际参数的选取可以以此为指导，最终尺寸还需要借助仿真手段进行优化。 依据上述计算结果，阀口的详细结构如图2 6 所示。固定阻尼孔采用两个直 径为2 8 m m 的短圆柱孔，在阀芯上呈对称布置，具有加工工艺好，控制特性不受 油温和油液枯度变化的影响的特点。阀座采用1 2 0 度的锥面，油液主要通过阀芯 上侧面的4 个圆孔流过，阀杆伸入阀芯中的长度约1 0 m m 。该结构的特点是：阀杆 在开始阶段的移动对阀口过流面积的影响与圆形窗口的滑阀类似，在阀口开度到 一定大小后，由于流道中的短圆柱孔的限制。实际阀口过流面积达到饱和。根据 阀口的结构尺寸，经计算可得主级液桥的阀口过流面积与阀杆位移的关系曲线如 图2 7 所示。由图中曲线可以看出，活塞杆在开始的小段位移内，过流面积的变 化比较缓慢，阀口流量增益较小；活塞杆位移在1 4 2 m m 范围内时，过流面积 近似成线性增大。活塞杆位移超过4 2 m m 时，过流面积达到最大值4 4 2 m m 2 。 1 5 浙江大学硕士学位论文 一 t e v 墨 兰 灌 爿 图2 - 6 主级液桥浔口剖面圉 1 一伺服活塞杆2 一主阀芯 o246b1 01 21 4 活塞枰位移( m m ) 图2 - 7 液桥阀口过流面积一活塞杆位移曲线图 2 3 3 放大级的设计 放大级的结构图如图2 8 所示，它实际上是一个伺服活塞。由于受比例电磁 铁的行程限制，先导阀的阀芯位移较小，先导阀通过控制伺服活塞的有杆腔和无 杆腔的压力来控制伺服活塞杆的位移，伺服活塞杆的位移经反馈弹簧与先导阀进 行耦合。这样比例电磁铁的电磁力就转换成伺服活塞杆的位移。伺服活塞的设计 中主要需要考虑的是确定合适的活塞直径使得先导级提供的流量能满足活塞杆 1 6 柏 己 伯 0 浙江大学硕士学位论文 快速阶跃时的流量要求。 图2 - 8 放大级结构图 1 一反馈弹簧2 一活塞套3 一活塞杆4 一活塞杆密封 已知活塞杆行程1 4 5 m m ，取活塞直径为1 6 m m ，则无杆腔在阶跃时的容腔变 化大小为2 9 e r a 3 ，以阶跃响应时闻为4 0 m s 进行计算，则先导级提供的流量应大于 4 4 l r a i n 。实际上放大级的阶跃响应时间只占阀的整个阶跃响应时间的一段，因 此先导级需要提供的流量还应该比此计算值大一些。 2 。3 4 先导级的设计 先导级在结构上采用三位四通滑阀，其主要设计指标为阶跃响应时间和额定 流量。滑阀的阶跃响应时间主要由比例电磁铁的性能决定【2 5 】1 2 6 】。根据 m a g n e t - s c h u l t z 的比例电磁铁样本，选用该公司型号为g r