（机械电子工程专业论文）陶瓷压机大流量比例节流阀的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 全自动陶瓷压机是陶瓷砖生产线上的关键装备，其性能直接关系到产品的质 量和生产效率。陶瓷压机的性能由主机和电液控制系统决定，电液控制系统是陶 瓷压机的关键技术之一，而电液控制系统中的大流量比例节流阎目前基本靠国外 进口，所以研制大流量比例节流阎对填辛i 、国内空白使其国产化具有重要意义。 本文通过对比r e x r o t h 、e a t o nv i c k e r s 公司的同类产品，提出使用比例三 通阀作为先导阎、主级位移电反馈的结构方案，并设计先导阀和主阀的主要参数， 然后在a m e s i m 中仿真影响动态特性的因素。在仿真的基础上对阀的参数进行优 化，完成了阀的详细结构设计并研制出大流量比例节流阀样机。 结合当今高速发展的计算机控制技术，设计基于a r m 7 内核的数字控制器。 嵌入式计算机控制系统是当今单片机控制系统的研究热点之一，将嵌入式系统应 用于大流量比例节流阎的控制器中，方便控制算法的设计与调试，同时也为控制 器与上位机的通信创造了机会，为以后系统的扩展打下基础。 最后本文设计了测试该阀的动态和稳态性能的实验系统，实验系统采用比较 流行的l a b v i e w 进行测试程序的编写，搭配研华的数据采集卡，可以测试该阀的 稳态和动态特性曲线，实验验证该阀的性能能否达到设计要求，以及对a m e s i m 模型的验证。 关键词：陶瓷压机电液系统大流量比例节流阀a m r 7a m e s i m 实验研究 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m a t i cc e r a m i cp r e s si so n eo f 也ek e ye q u i p i n i n t s 洫p f o d u c t i o nl i i l e i t s p e 触锄c ei sd i r e c t l y r e l a t e dt ot l l eq u a j i 哆o f 也ep r o d l l c ta n d p r o d u c t i o n e 伍c i e n c y t i l ep 渤c i p a lm a c l l i n e 觚de l e 嘶c h y d r a u l i cc o l l 仃o ls y s t e md e c i d e 恤 p e r f i o m 锄c eo ft l l ec e 均i i l i cp r e s s t h ee l e c t r i c - h y d r a u l i cc o m r o ls ) ，s t e mi so n eo ft l l e k e yt e c l l l l 0 1 0 9 i e so nc e m l i l i cp r e s s b u tt l l el a 玛en o wp r o p o n i o n a jt l l r o t t l ev a l v eo f t l l ee l e c t r i c - h y 蛔l i cc o n 仃o ls y s t e mi sb 2 l s i c a l l yr e l y e do n 也ef o r e i g ni r r 岬r tn o w s o t l l er e s e a r c ho ft h ev a l v ec a i lf i nt l l eg a p 锄dm a 虹n g “l o c a l i 刎i o nh a sa 伊e a t s i g i l i f i c a n c e i l lt l l i s p a p e r ，c o i i l p a r e d 、) l ，i t l lr e x r o t l l ，e a t o n c k e r s ss i i l l i l a rp r o d u c t ，m a k ea s 咖c t i 鹏砌c hi su s i n gm ep r o p o r t i o m lm r e e w a yv a l v e 硒ap i l o tv a l v e 锄dm a i l l s t a 喀e 谢n ld i s p l a c e m e n te l e c t r i c i t yf e e d b a c k t h e nd e s i 盟1 ep i l o tv a l v e 锄d i i l ；a i l l p 猢e t e r so fm em a i l lv a l v e ，a n ds i i n l l l a t et l l e f a c t o r sw h i c he 行e c t l ed y n 删c c h a r a c t e i i s t i cb yu s i l l j ga s m e s i m c i l l 廿1 eb a s i so f 吐l es 妇u l a t i o 玛o p t i i n j z e 廿1 e p a r a m 酏e r so f 也ev a l v e ，c o m p l e t et l l ed “l e d 咖t u r a ld e s i g n 龇l dd e v e l o pal a r g e n o wp r o p o n i o n a lt 1 1 r o t t l ev a l v ep r o t 啊p e c 伽曲m d 淅也t l l e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o r n p u t e rc o n 们lt e c l l i l o l o g ) ，觚 删7 - b a s e dd i g i t a jc 彻n d l j e ri sd e s i g l l e d e m b e d d e dc o m p u t e rc o n n o ls y s t 锄i s0 n e o fm eh o ts t u d yo fi i l i c r o c o i n p u t e l ? c o n t r o ls y s t e m ，e m b e d d e ds y g t e i i l si su s e di i l 也e l a 曙ef l o wp r o p o i t i o n 蝴l ev a l v ec o n t r o l l e rf o re a s i l yc o n 舡o la l g o r i 伯l n ld e s i g i l i n g 锄dd e b u g g i n g ，a l s 0i tc 趾c r e a t et l l eo p p o m l i l i 够f o rn l ec o 衄u 1 1 i c a t i o nb e 撕e e n c o n 仃o l l e ra i l dp c ，a l l d1 a ym ef b m d a t i o nf o r6 i t l 】r ee x p 肌s i o no ft h es ) r s t e m f i i l a l l y ，t l l ep 印e rd e s i g n s 廿l et e s ts y s t e mt 0t e s t 廿l ed y 船i n i c 锄d 啦a d y - s t l t e p e r f o m 姗c eo fm ev a l v e ，趾d l l s el a b v i e wt o 州t em ep r o g r a j nt 0t e s t 也e s t e a d y - 渤t e 锄dd y n a i l l i cc h a r a c t e r i s t i c sw 曲a d v a n t e c h sd a t aa c q u i s i t i o nc a r d 1 1 1 e e x 球蛹m e n t 溉母t 1 1 ev a l v ed e s i g nw h e n l e r t os a t i s 母t 1 1 ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a sw e l l 硒a m e s i mm o d e l k e yw o r d s ： c e m i i l i cp r e s s e l e c 廿i c h y d 训i cs y s t e mal a 唱en o wp r o p o n i o n h i 浙江大学硕上学位论文 a b s 呲t t 1 1 i 0 砌ev a l v e 甜氓7a m e s ht e s tr e s e a r c h 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本文是在导师魏建华教授悉心指引下完成的。自从进入课题组以来，魏老师 对我的学习、生活和课题研究给予了无微不至的指导和关怀。值此论文完成之际， 我首先要衷心感谢我的导师魏建华教授。魏老师踏实的工作作风、渊博的学识、 敏锐的观察力、严谨的治学态度以及独到的见解，使我受益良多。导师的谆谆教 诲使我懂得了如何去学会思考，学会做人，这将使我受益终生。在此谨向魏老师 致以崇高的敬意和衷心的感谢。 还要感谢实验室的朱旭、杜恒、方锦辉、刘蔚、熊义博士师兄们以及赖振宇、 奚楠钧、方向硕士师兄们，他们在我硕士阶段的工作上给予我很大的指导和帮助， 同时也要感谢实验室的国凯、林海、冯瑞琳、胡波、叶太林、杜晓东、陈莹等同 学，在项目研发过程中给予我的支持和帮助。 感谢岳艺明高级工程师在课题研究中给予的细心指导和帮助，岳老师对做人 做事的态度和理解程度对我启发很大。感谢浙江大学流体动力与机电系统国家重 点实验室中所有帮助过、教育过我的老师，感谢你们的辛勤工作。 感谢山东泰丰液压股份有限公司设计部部长于良振、研究员王明琳对本课题 的支持和帮助。 感谢机电0 9 硕的同窗好友黄炜、刘国雄、刘志才、罗召成等同学，两年多 生活和学习中带给我无限的快乐和有益的帮助。 感谢我的家人这么多年来对我的支持和栽培，感谢所有关心我的亲人和朋 友，他们给了我无限的关怀、支持与鼓励。 最后，感谢浙江大学对我的培养，一百多年来浙大所凝聚出来的求是创新、 开拓进取的精神和深厚的人文底蕴，将深刻地影响我以后的人生。 胡世松 2 0 1 1 年1 2 月2 0 于浙大求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 课题的研究背景及意义 陶瓷砖是由粘土和其他无机非金属原料，经成型、烧结等工艺生产的板状或 块状陶瓷制品，用于装饰与保护建筑物、构筑物的墙面和地面。随着人们生活水 平的提高，陶瓷砖在建筑、居舍中的应用越来越多，不仅外观美丽，而且清洁卫 生，使人们的生活质量大大提高。陶瓷砖生产线是为了满足人们对陶瓷砖的大量 需求、提高陶瓷砖的生产效率、质量和产量而研制的一条全自动化的生产线，陶 瓷砖生产线在陶瓷生产中得到了普遍应用。陶瓷砖生产线如下图1 1 所示。 l 混料卜叫压坯卜叫三堡卜一竺竺卜一堡塑i 一刮平定厚卜叫 抛光h 磨边倒角卜_ 剖检验 l _ j l 一l 一l j 图1 1 陶瓷砖生产线示意图 陶瓷砖生产是一个多工序的复杂生产流程，在所有工序中，压坯是关键的一 道。压坯工序是由陶瓷压机完成的，所以陶瓷压机的性能直接影响到生产的陶瓷 砖的生产效率和质量，同时压坯属于前序工序，直接影响着陶瓷砖生产的其它工 序n 1 。 为了提高坯体强度以减少半成品损耗，提高产品密度及均匀性以减少磨耗， 提高坯体密度、减少粘结剂用量、降低烧成温度以降低生产成本等，现代的陶瓷 压机都具有很高的单位压制压力，图1 2 所示是国内广东科达机电股份有限公司 生产的k d 7 8 0 0 型陶瓷压机，该压机公称压制力为7 8 0 0 0 k n 。 一， 多 ? n ，一w p “ 穰 i 。 图1 2 科达7 8 0 0 压机 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 陶瓷压机的工作环境比较恶劣。一方面陶瓷砖生产线是连续工作的生产线， 一天二十四小时全负荷运转，另一方面陶瓷压机通常处于室内空气质量差、粉尘 大的环境中。在生产陶瓷砖过程中，原料仓库装卸起尘、喂料机配料、破碎机和 轮碾机破碎、干原料和干坯料的筛分输送等工序以及压机成型过程中将产生大量 粉尘。大量的粉尘会进入陶瓷压机的油箱以及全负荷工作所产生的各种杂质最终 会使得陶瓷压机的工作油液清洁度大大降低。陶瓷压机的这种工作环境决定液压 系统所选用的液压元件必须有足够好的抗油污能力。 陶瓷压机在工作中需要多次加压，每次压力等级不同，而且要求在不同阶段 的加压速度不同。压机往下压制的行程有两个过程一一快下和慢下，快要压制到 工件时会转为慢下，快慢转换需平稳；二是压制完了后，主缸憋着很高的压力， 首先必须平稳地卸压，然后才能回程准备第二次压制，目前简单的卸压是采用插 装阀和液阻网络构成机械式的多级卸压方式；三是在陶瓷压机中进行压制力的控 制，用比例节流阀做压力控制，阎有开口进油，压制缸压力上升，当压力上升到 位后阎口相应减小直至关闭，根据其压制工艺需进行三到四次这样的过程，每次 压力都会提高一个等级。 以往陶瓷压机采用开关阀进行控制，成本低廉，同时也能适应陶瓷压机的恶 劣工作环境，但在快慢转换以及卸压过程中会造成冲击和振动，降低了陶瓷压机 的可靠性与安全性。近年来陶瓷压机结合液压技术的发展，大量使用大流量比例 节流阀，使用这种阀能平稳地转换压机的工作状态以及平稳地卸压，同时还可以 结合电控系统做压力或者位置闭环控制，因此比例节流阀的性能决定了压机的电 液系统性能，该阀在陶瓷压机液压原理图中的作用如图1 3 ，阴影部分是大流量 比例节流阀心1 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 陶瓷压机液压原理图( 郡分) 二通插装阀的出现，很大程度上满足了液压技术发展的要求，对于需要大流 量的场合，二通插装阀得到了普遍应用和发展 1 。 比例控制和插装阀技术在2 0 世纪的最后2 0 年中得到了快速发展。比例控制 技术与插装阀技术相结合，形成二通和三通比例插装阀，这类插装阀结构简单， 性能可靠，流动阻力小，通油能力大，易于实现集成。而且，比例控制和插装阀 技术的控制性能不断提高，适应机电液一体化的发展潮流。流量一位移一力反 馈闭环控制及级间速度一动压反馈的应用、比例电磁铁、传感器、放大器等电液 控制系统组件性能的不断提高、现代控制技术的不断发展，这些都将极大地提高 比例插装阎的控制性能h 1 。 大流量比例节流阀是比例控制和插装阀技术的结合，能连续的成比例的控制 流量，在大型锻压设备、大型核电、水电风电、大型工程及矿山建设机械、大型 港口、海上重工、海洋工程、大型装备和大规模铁路、轨道、隧道、桥梁工程中 起着重要的作用。 国外研制液压自动压机已有五十多年的历史，二十世纪八十年代以来，国内 大量引进自动压机。国产压机的主机框架采用传统的三梁四柱结构或三梁四柱套 筒拉杆式结构，液压系统基本上是借鉴国外压机的经验同时结合自己的一些创 新，但是由于我国对陶瓷压机的研究起步晚、技术相对落后，在陶瓷压机特别是 大吨位陶瓷压机的研制生产方面与国外存在一定差距，国内产品仍然不够成熟， 特别是陶瓷压机的液压系统或其关键液压控制元器件仍需要进口。 进口的核心液压元件不仅成本昂贵，而且受国外成套销售趋势的影响，国外 供应商采取提高价格、脱期交货的制约方式，造成了一定的经济损失，也给重大 项目造成了影响。因此，有必要对大流量比例节流阀进行研究，实现电液比例控 浙江大学硕 ：学位论文第一章绪论 一 f j 制陶瓷压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 在高压大流量的电液比例控制阀产品和技术领域中，主要有德国的b o s c h r e x r o t h 、美国m o o g 、o i l g e a r 、p a r k e r 、e a t o nv i c k e r s 等。其中，0 i l g e a r 的 产品技术实际上与m o o g ( h y d r o l u x ) 基本类似，此外，日本也有少量产品。 以4 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 导级由一个比例控制的的控制阀组成。区别是在反馈形式上和控制方式上。反馈 形式上有位移液压反馈式、位移力反馈式、位置随动式、电反馈式等。控制形式 上有四通阀( 伺服阀或者比例阀) 作先导的主动控制型( 阀芯相当于油缸，上下 运动都由先导油驱动) 和三通比例阀控制的类型。电反馈形式的在主阀芯上安装 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 4 是e a t o nv i c k e r s 的位移液压反馈形式的比例节流阀，该阀通过主阀 阀芯的节流口以及先导阀的可变节流口实现b 型液压半桥控制。 图1 4e a t o nv i c k e r s 的位移液压反馈比例节流阀 图1 5 是p a r k e r 的位置随动式比例节流阀。该阀是三级结构。先导阀控制 中间级的伺服活塞，反馈形式是位移电反馈，主阀随着活塞杆的移动而移动，反 馈形式是位置随动式。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ： 图1 5p a r k e r 比例节流阀 图1 6 是m 0 0 g 的二通伺服阀，该阀采用电反馈形式，并且先导阀是四通伺 服阀。 图1 6m 0 0 g 二通伺服阀 图1 7 是r e x r o t h 的二通比例节流阀，该阀也是电反馈形式，先导级也是采 用四通伺服阀。 浙江大学硕士学位论文第一章绪沦 6 v a 图1 7r e x r o t h 二通比例节流阀 a9 图1 8r e x r o t h 电反馈比例节流阀 浙江大学硕七学位论文第一章绪论 的主级 图1 9b a t o nv i c k e r s 电反馈比例节流阀 图1 8 是r e x r o t h 公司的4 0 通径二通插装比例阀，图1 9 是e a t o nv i c k e r s 的4 0 通径比例节流阀拍1 ，它们的先导级都采用的是比例三通阀，反馈形式上采 用位移电反馈。在先导级对主阀芯的控制上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。 各个公司的4 0 通径比例节流阀的性能参数如表1 1 所示。 表1 - 1 国外厂商的4 0 通径比例节流阀性能比较表 厂家 m o o gp a r k e rr e x r o t he a t o nr e x r o t he a t o n 反馈形式电反馈位置随动电反馈液压反馈电反馈电反馈 先导级四通伺服四通比例四通伺服四通比例三通比例三通比例 阎阀阀 阀阀阀 响应时闻 1 2 m s9 m s5 6 m s2 4 0 m sl o o m s1 2 5 m s 抗油污能力较差较好差好较好较好 滞回 0 3 1 0 2 8 o 2 1 价格高较高高低较高较高 从上表可看出，各个厂家的4 0 通径大流量比例节流阀采用了不同的反馈方 式以及控制方式，使得阀在响应时间和控制精度上差异明显，采用电反馈的闽精 度高，抗干扰能力好，采用位置随动和位移液压反馈的阀精度不够高。控制方式 上选择四通伺服阎的阀响应快，而采用三通比例阀的响应较慢。采用伺服阀控制 的阎抗污染能力较差，同时成本也比采用其他控制方式的阀贵很多。 国内液压件厂商目前只有山东泰丰液压设备有限公司生产的双主动型比例 二通插装阀，如图1 1 0 所示。 7 浙江火学硕j j 学位论文第一章绪论 图1 1 0 双主动型比例二通插装阀 该阀先导级采用r e x r o t h 的比例伺服阀，主级采用电反馈，该阀性能优良， 精度高，响应快，但价格昂贵，特别是比例伺服阀的购买周期长、恶劣工况下易 出现卡阀现象。 1 3 课题研究内容及目标 本课题主要研制一种用于陶瓷压机电液控制系统的大流量比例节流阀，在满 足系统性能要求的前提下尽量降低生产制造成本。 论文第二章对大流量比例节流阀进行原理分析并设计主要参数。在广泛调研 基础上，总结r e x r o t h 公司、e a t o nv i c k e r s 公司的大流量电液比例节流阀的优 缺点，结合插装阀技术，比例阀技术，传感器技术等，确定合理科学的阀工作原 理、主级阀芯的结构形式以及大行程的位移传感器的选择等。在原理基础上设计 该阀的主要参数，为阀的研制奠定理论基础。 论文第三章对大流量比例节流阀的控制器进行设计。本章结合现代计算机控 制技术、比例技术设计基于a m r 7 的数字控制器。 论文第四章对大流量比例节流阀进行a m e s i m 建模仿真，由仿真确定设计的 参数，并对影响该阀响应时间的影响因素进行仿真分析。 论文第五章是对该阀样机进行实验。对该阀的响应时间、p i d 调节以及各种 静态和动态特性等进行实验验证。 论文第六章是总结与展望。对该阀的优缺点以及后续工作进行总结。 囤 浙江大学硕士学位论文 第章绪论 1 4 小结 本章重点介绍了课题的研究背景，提出研制大流量比例节流阀的重要意义， 并详细介绍了国内外的研究现状，结合国内外同类产品的特点提出论文所要完成 的工作以及所要达到的目标。 9 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 2 1 引言 第二章大流量比例节流阀的设计 节流阀是一种结构最简单但应用最广泛的流量控制阀，它的受控参数不是流 量，而是主阀芯的轴向位移或转角。按照控制方式的不同形式区分，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，而按照对功率级的控制方式区 分，又可分为直接作用式和先导控制式。 大流量的节流阀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。由于陶瓷压机工艺要求，压机在 快速压射阶段需要的瞬时流量达1 0 0 0 l m i n 左右，要实现如此大的流量，在阎的 主级上选择二通插装阀结构。而4 0 通径的二通插装阀在压差为1 0 b a r 的条件下 流量一般可达1 0 0 0 l m i n ，因此初步将阀的主级确定为4 0 通径的二通插装阀。 该阀是为电液比例控制的陶瓷压机设计，陶瓷压机的恶劣工作环境决定先导 级必须要有足够好的抗油污能力，根据国外同类产品的分析比较可知先导级采用 高响应的三通比例阀结构能满足性能上的要求，同时还可以降低成本，其抗油污 能力也比较好。结合r e x r o t h 公司，m o o g 公司，e a t o n 公司的大流量电液比例节 流阀的特点，采用比例三通阎作为先导级，主级采用位移一电反馈结构。位移一 电反馈型采用位移传感器来测量阀芯的位移作为反馈。位移电反馈型比例节流阀 对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 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 。 综上，总体方案为：采用一个高频响的比例三通阀作先导级，控制一个作为 主级的二通插装阀，反馈方式上采用位移一电反馈结构。 2 2 工作原理 2 2 1 阀的组成 大流量比例节流阀的液压原理图如图2 1 所示，1 为控制器，2 为位移传感 器，3 为比例三通阀，4 为4 0 通径二通插装阀。比例三通阀作为先导阀装在盖板 上。主阀阀芯与位移传感器相连，阀芯位移作为反馈接入控制器中。x 口是先导 阀控制油口，y 口为回油口，x 可以与主阀a 或b 口连接，也可直接外供。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章大流量比例节流阀的设计 2 2 2 阎的工作原理 图2 1 大流量比例节流阀原理图 4 阎的基本工作原理是：插装阀节流阀芯的位置，以及由此确定的节流口的开 度与输入信号相关并受节流阀芯的位置闭环控制。这与一般的偏差控制原理一 样，通过位移传感器2 可获得节流阎芯的位置实际值，设定值与实际值在控制器 l 内进行比较，产生的偏差值经过p i d 运算作为控制变化量输入比例电磁铁，经 先导阀3 ，以校准节流阀芯的位置。具体可分为阀开启和阎关闭两个基本动作。 ( 1 ) 阀芯开启动作 假定控制油内供，流向a b ，此时x 口与a 连通。给定输入信号，此时由 于阀芯位置在关闭位置，反馈为o v ，产生偏差，经过p i d 运算后得到的控制量 驱动比例电磁铁，比例电磁铁推动先导阀阎芯，克服弹簧力，使得先导阎a 、t 口通，这样主阀控制腔的压力降低，在主阀a 口压力和b 口压力作用下，节流阀 芯向开启方向移动，打开主阀口。直至到达目标位置，偏差消除或很小，此时 p i d 输出某个值使得先导阀阎芯处于零位位置，使得主阀控制腔关闭，保持主阀 位置不变。 ( 2 ) 阀芯关闭动作 如果减小比例电磁铁的电流，弹簧力克服电磁力推动先导阀芯，打开控制腔 和x 口的通路，控制腔压力增加，作用于控制腔上的压力加上主阀上弹簧力使得 节流阀芯向关闭方向移动。 浙江人学硕士学位论文 第二章大流量比例节流阀的设计 2 3 阎的主要参数的设计 由原理图可知，阀的参数设计包括主阀设计和先导阀设计。该阀需要满足以 下性能要求： 在p = 1 0 b a r 时，最大流量能达到1 0 0 0l m i n 。 在办= 办= 既= 5 0 b a r 下，o 一1 0 0 阀芯阶跃响应时间约1 0 0 m s 左右，1 0 0 一0 阀芯阶跃响应时间约1 5 0 m s 左右，并且无超调。 主阎最高工作压力3 15 b a r ，控制油最高压力3 1 5 b a r 。 2 3 1 主阎的设计 在上节中说明过主级用4 0 通径的二通插装阀，由d i ni s 0 7 3 6 8 ：液压传动 一二通盖板式插装阀一插装孔查得4 0 通径插装阀阀套外径大小为5 5 咖，取阀 套厚度为8 5 衄，则阎芯外径为3 8 衄。又因为该阀控制腔只有一个，所以阎芯两 端承压面积要不同，结合r e x r o t h 和e a t o n 该类阎的设计，取阀芯两端承压面积 之比为1 6 ：1 ，那么阀座直径可由计算得到为3 0 衄。 以1 0 b a r 压差时流量为1 0 0 0 l 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： r q = 0 么仨卸 ( 2 1 ) vp 式中： g 一流量，m 3 s ； c 一流量系数； 彳一阀口通流面积，肌2 ； p 一液体密度，姆聊3 ； p 一阀口前后的压差，鼢。 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e 可以近似取常数。取流量系数巴；0 6 2 ，液体密度户= 8 7 0 姆m 3 ， 经计算得到最大过流面积s = 5 6 0 聊朋2 。 参照r e x r o t h 的比例节流阀的阀芯窗口形式，采用矩形窗口，并且分成4 个矩形窗口，暂取每个窗口长度为1 = 1 5 m 历，则满足最大过流面积时的阀芯位移 至少应为 三：里：9 3 m m( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 对l 取整得到l _ 1 0 聊珊，为了在关闭时减小阀的内泄漏，并且一般比例阀死 区约2 0 ，取遮盖量为3 聊聊，这样主阎阀芯整个行程为1 3 肌朋。 主阀阀套材料选用4 2 c r m o ，热处理后内孔表面硬度到h r c 5 0 一5 5 ，阀芯材料 选用2 0 c r m o ，热处理后表面硬度到h r c 6 0 6 3 ，阀芯阀套配合公差选h 8 f 7 。 2 3 2 先导阀的设计 先导阀是比例三通阀，结构上采用两位三通滑阀结构豫1 ，该阀的设计包括比 例电磁铁的选择、滑阀阎套阀芯设计。 ( 1 ) 比例电磁铁 比例电磁铁p 3 作为电液比例控制元件的电一机械转换器件，其功能是将比例 控制器放大器输给的电流信号转换成位移或力。电液比例控制对比例电磁铁提出 了一定的性能要求，主要如下： a 、水平位移一力特性，即比例电磁铁在有效工作行程内，当线圈电流一定时， 其输出力保持恒定。瓢 b ，稳态电流一力特性具有良好的线性度，较小的死区及滞回。 c 、阶跃响应快，频响高。 根据以上特性以及结合本阀的要求，选择m a g n e ts c h u l t z n 训的 g r f y 0 3 5 f 2 0 8 0 1 型比例电磁铁。该型比例电磁铁具有工作压力高( 可达3 5 0 b a r ) 、 稳态电流一力特性线性度高、滞环小、响应时间短等特点。该型比例电磁铁性能 如表2 1 所示。 表2 1 比例电磁铁性能参数 全行程 4 o 3 衄 工作行程 2 衄 推荐工作行程 o 5 1 - 5 衄 无效行程 2 衄 额定输出力 5 0 n 额定电流 0 6 8 a 线圈额定电阻 2 4 6 q 该电磁铁的电流一力特性曲线如图2 2 ，由图中可看出滞回很小。 浙江大学硕七学位论文 第二章大流量比例节流阀的设计 一去 图2 2 电流一力特性曲线 该电磁铁电流阶跃响应曲线如图2 3 ，由图中曲线可以看出，对电磁铁输入 不同大小的阶跃电流信号时，输出力达到最大值的时间都是相同的，约需要 5 0 ，坳。 f = 嚣船 l ( a 1m m 一熹 图2 3 电流阶跃响应曲线 ( 2 ) 先导阎阀套阀芯设计 由于主阀阀芯行程为1 3m m ，所以主阀阀芯在阀套内移动造成的容腔变化为 1 4 7 册3 ，主阎关闭需要约1 5 0 ，埘，那么需要先导级流量由下式计算 d ：些：5 8 8 i i l i n t ( 2 3 ) 实际上1 5 0 ，淞中包括电磁铁的时间的影响，所以实际需要的流量要大些。 先导阀为两位三通滑阀，选择圆形节流窗口，其结构简单，加工工艺性好， 在阀套上开几个个直径2 聊所的圆孔，孔的个数由第四章仿真获得。具体结构设 计如图2 4 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 l 一比例电磁铁2 一弹簧3 一阀芯4 一阀套 图2 4 结构原理图 主阎在断电情况下，节流阀芯移动至阀座，主阎无泄漏关闭，说明在电磁铁 无电流时，先导阎油口p 与主阀控制腔之间在先导阀口处有预开口，这样才能保 证电磁铁失电时主阎阀芯能关闭。所以在这里设计阀芯在初始位置时，p 口有一 半开口。由上面介绍比例电磁铁的特性可知，比例电磁铁总行程4 肌m ，前2 删 是无效行程，后2 m m 是工作行程，所以在这里把先导阀的零位设计在比例电磁 铁工作行程的1 柳聊处。 滑阎按其预开口型式可分为正开口( 负重叠) 、零开口( 零重叠) 和负开口 ( 正重叠) 三种。阀的预开口型式对其性能，特别是零位附近特性有很大的影响。 零开口阎具有线性流量增益，性能比较好，应用最广泛，但加工困难。正开口阀 在开口区内的流量增益变化大，压力灵敏度低，零位泄漏量大。负开口阀由于流 量增益有死区，将引起稳态误差，因此很少采用n 。 大流量比例阎主阀阀芯停在某个位置时，先导阎阀芯处于零位附近，所以先 导阀阀芯经常运行于零位附近，对于这种运行于零位附近的位置闭环控制，要求 先导阀是零开口的，这样控制上才能有较好的品质。同时由于圆形窗口的零开口 阎在零位附近的流量增益比较大，所以在这里还设计一种在零位附近变流量增益 的阀套，即在零位附近在阀套上打0 8 m ，l 的小孔如图2 5 所示。 浙江人学硕_ ：学位论文第二：节人流量比例节流阀的设计 图2 5 变流量增益阀套示意图 综上，得到先导阀阀芯零位处于电磁铁工作行程1 聊m 处，在初始状态下， 阀芯克服弹簧力使得p a 通，a t 关闭，并且p 开口一半，在比例电磁铁工作行 程2m 所处，p a 关闭，a t 通，t 开口一半。为了防止比例阀阀芯被过度压缩以 至于比例电磁铁落入无效行程区域，而在此区域比例电磁铁的输出力大大减小， 将可能导致比例电磁铁无法克服弹簧的预压缩力，造成无法推动阀芯，所以在阀 芯内开6 聊垅深孔，该深度能保证电磁铁越过2 ，z 朋无效行程。 为了变流量增益的实现，还设计一种阀套阀芯，在初始状态下，p a 开口 o 7 聊所，当阀芯在向下0 7 脚m 后，此时阀套上o 8m 聊孔起作用，起作用行程 为o 3m m ，当阀芯在向下o 3 聊聊后，p a 关闭，此时a t 刚通，同样起小流量 增益的行程也为o 3 聊聊，最后0 7 肌聊为大流量增益行程。 先导阀阀套材料选用4 2 c r m o ，热处理后内孔表面硬度到h r c 5 0 5 5 ，阀芯材 料选用2 0 c r m o ，热处理后表面硬度到h r c 6 0 一6 2 ，阀芯阀套配合公差选h 8 f 7 。 2 3 3 弹簧设计 在该阀中，共需要两根弹簧，一根用在主阀阀芯上，一根用在先导阎阀芯上。 ( 1 ) 主阀阀芯弹簧设计 该弹簧主要作用是主阀芯关闭过程中，对主阀阀芯有向下的推力以及在没有 油源情况下靠弹簧的预压缩力关闭阀芯的作用。 在阀开启时，假设流动方向是a b ，最小开启压力约3 5 b a r ，那么弹簧预压 缩力由下式计算 1 6 品= 岛启 ( 2 4 ) 兰鬯蔓苎望型兰箜堕壁一 兰三童奎鎏量些型蔓鎏望塑堡生一一 一 弟一覃天、锟重比例节流阀的设计 式中： 磊启一开启压力，砌； 以一a 口作用面积，肌2 。 由计算得= 2 4 7 n 。 在关闭时，假设b 口关闭，并且x 与a 口连通，那么阀工作原理如下图 r 图2 6 主阀关闭原理图 在阎芯处于开口最大位置时，阀芯能向下移动的受力条件如下 乓簧屹4 只4 + b 4 式中： & 簧一最大弹簧力，n ； 尼一主阀控制腔压力，尸口： 4 一阀芯上端面积，聊： 乞一a 口压力，忍： 以一a 口受力面积，m 2 ： 弓一b 口压力，砌； 以一b 口受力面积，聊z 。 又因为尼2 圪，4 = 4 + 以，所以简化得到 乓麓( 乞埠) 4 ( 2 6 ) 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 考虑比例电磁铁的时间，可计算得到需要先导流量为 d ：业：6 5 3 i t l i n( 2 7 ) 一 f 由流量公式 r 妒c 。亏卸 q 8 式中： q 一流量，所3 s ； c 一流量系数； 4 一阀口通流面积，m 2 ； p 一液体密度，堙聊3 ，取p ；8 7 0 堙聊3 ； 卸一阀口前后的压差，尸口。 先导阀中最大过流面积由下式计算 s ：拧! ! 万d 2( 2 9 ) 24 式中： 刀一阀套2 m 聊小孔个数，这里假设4 个； d 一阀套节流窗口直径，聊。 计算得到s = 6 2 8 聊聊2 。 代入式( 2 8 ) 可得p 2 只埠2 3 4 b a r 。 又4 = 三： ，d 为主阀阀芯直径，单位为聊2 ，计算得到4 = 1 1 3 3 5 加聊2 。 由式( 2 6 ) 可得咯簧3 8 5 n 。 结合弹簧在阀芯上的安装尺寸，设计弹簧主要参数如下：中径d = 3 2 m m ，钢 丝直径d = 4 朋聊，旋绕比c - 8 ，自由高度h o = 9 5m 聊，安装长度h 1 = 6 7 聊聊，工作 长度h 2 = 1 2 聊聊，弹簧刚度k - 1 0 脚肌，这样预压缩力为2 8 0 n ，最大弹簧力为 4 0 0 n ，满足设计要求n 2 1 。 ( 2 ) 先导阀阎芯弹簧设计 先导阀阀芯弹簧主要是克服电磁力，由比例电磁铁特性可知额定输出力为 5 0 n ，考虑到弹簧的安装尺寸设计该弹簧主要参数如下：中径d - 9 6 所所，钢丝直 径d = 1 2 朋聊，旋绕比c 8 ，自由高度h o = 1 1 6m 聊，安装长度h 1 = 1o 朋m ，工作 长度h 2 = 2 埘脚，弹簧刚度k = 1 5 2 m 加，这样弹簧预压缩力为2 4 3 n ，最大弹 簧力为5 5 n 。由图可知，阀芯在工作范围内对应的比例电磁铁电流为0 3 5 a 一0 7 5 a 左右。 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 2 3 4 位移传感器的选择 主阀阀芯位移由位移传感器测得，位移传感器需选择响应快，测量范围大的 差动变压器式位移传感器，本文选择德国e t o 位移传感器，该传感器的技术数据 如表2 2 所示： 表2 2 位移传感器性能参数 供电电压 2 4 v 2 0 输出信号范围 2 1o v 中位输出信号 6 v 0 1 v 测量范围 1 6 衄 增益 o 2 5 v 衄3 工作温度范围 o 一8 5 最大工作压力 3 1 5 b a r 2 4 三维模型 由大流量比例节流阀的主要参数可以设计出该阀的模型，在本课题中我们采 用p r o e n g i n e e r 软件进行阀的三维建模“羽。 p r o e n g i n e e r 软件是美国参数技术公司( p t c ) 旗下的c a d c a m c a e 一体化 的三维软件。p r o e n g i n e e r 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者， 在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，p r o e n g i n e e r 是现今主流的 c a d c a m c a e 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。 p r o e 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决 特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要 进行选择，而不必安装所有模块。p r o e 的基于特征方式，能够将设计至生 产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而 且也可以应用到单机上。 p r o e 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、 钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。它的 主要优点如下： 1 参数化设计。相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无 论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成 特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。 2 基于特征建模。p r o e 是基于特征的实体模型化系统，工程设计人 员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角， 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在 设计上从未有过的简易和灵活。 3 单一数据库( 全相关) 。p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数 据库上，不像一些传统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上。例如，一旦工 程详图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变 动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的 完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化， 成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。 用p r o e n g i n e er 建横该阀如下图所示 该阀的结构图如下 图2 7 大流量比例节流阀三维图 浙江大学硕士学位论文第二章大流量比例节流阀的设计 1 一阀套2 一阀芯3 一弹簧4 一盖板5 一先导阀阀套6 一先导阀阀芯7 一弹簧8 一比 例电磁铁9 一位移传感器 图2 8 大流量比例节流阀结构图 2 5 本章小结 首先对大流量比例节流阀做了简单介绍，从结构形式到控制方式，然后选择 合理的方案。接着分析该阀的工作原理，在工作原理基础上设计该阀的主要参数， 主要设计工作包括主阎形式、主阀阀芯窗口、阀芯工作行程、比例电磁铁的选择、 先导阀阎套阀芯的设计以及弹簧的设计等。最后用三维软件p r o e n g i n e e r 对该 阎进行三维建模以及二维装配图的绘制。 2 l 浙江大学硕士学位论文 第三章控制器的设计 3 1 引言 第三章控制器的设计 控制器的设计即对大流量比例节流阀的比例控制放大器n 引进行设计。比 例控制放大器是一种用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对主阀阀芯位 移进行闭环调节的电子装置。 控制器的作用是对指令值与位移传感器检测出的实际位移值进行比较， 并经p i d 算法的计算得到相应的输出，然后通过驱动级给比例电磁铁以校准 主阀阀芯的位置值，使主阀处于给定信号对应的位置。同时控制器还需具有 某些保护的功能，比如对电源异常、使能、阀芯位置信号异常等进行保护。 控制器一般需要满足以下要求： ( 1 ) 良好的稳态控制特性； ( 2 ) 动态响应快，频带宽； ( 3 ) 功率放大级的功耗小； ( 4 ) 抗干扰能力强，有很好的稳定性和可靠性； ( 5 ) 较强的控制功能； ( 6 ) 标注化，规范化 控制器有模拟和数字之分，本控制器采用数模混合的设计，即信号处理、 驱动级、保护等采用模拟电路，而对算法要求很高的p i d 运算采用数字电路， 集合计算机技术，即可以实现复杂p i d 算法，同时可以与上位机通信，方便 人机交互，为下载p i d 参数提供了便利，可以提高调试的效率。 计算机控制技术n 卵是自动控制理论与计算机技术相结合而产生的一门 新兴学科，计算机控制技术是随着计算机技术的发展而发展起来的。自动控 制技术在许多工业领域获得了广泛的应用，但是由于生产工艺日益复杂，控 制品质的要求越来越高，简单的控制理论有时无法解决复杂的控制问题，但 是计算机的应用促进了控制理论的发展，先进的控制理论和计算机技术相结 合推动计算机控制技术不断前进。随着半导体集成电路技术的发展，微型计 算机的运行速度越来越快，可靠性大大提高，体积越来越小，功能越来越齐 全，成本却越来越低，使微型计算机的应用越来越广泛，而这其中嵌入