高速开关阀控插装阀的特性研究.pdf

2 0 1 2年 l 2月 第4 0卷 第 2 3 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS De c ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 1 6 高速开关阀控插装阀的特性研究 温成卓，吴张永，王娴 ，王庆辉 ，吴喜 昆明理工大学机 电工程学院，云南昆明 6 5 0 0 9 3 摘要阐述了一种高速开关阀控插装阀的工作原理 ， 建立 了数学模型，用 A M E S i m仿真软件建立了仿真模型。通过分 析插装阀阀芯位移和插装阀出口流量曲线图，得出P WM信号频率和 占空比对高速开关阀控插装阀控制性能的影响。分析 结果显示 P WM控制信号频率为低频、信号占空比适中时， 高速开关阀作为先导阀能够对插装阀进行良好的线性控制。 关键词 高速开关阀；插装阀；控制性能；A ME S i m；P WM 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 6 1 3 P e r f o r ma n c e Re s e a r c h o f Ca r t r i d g e Va l v e Co n t r o l l e d b y Hi g h s p e e d On ／ Off Va l v e WE N C h e n g z h u o ，wu Z h a n g y o n g ，WA N G Xi a n ，WA N G Q i n g h u i ，wu x i F a c u l t y o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，K u n m i n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， K u n mi n g Y u n n an 6 5 0 0 9 3，C h i n a Ab s a d T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d o n t h e b asi s o f t h e p rin c i p l e e x p a t i a t i o n o f c a r t rid g e v alv e c o n t r o l l e d b y h i g h s p e e d o n ／o ff v alv e ．a n d i t s s i mu l a t i o n mo d e l W as c r e a t e d i n AMES i m s o f t wa r e ． B y a n aly s i n g the c u I v e c h a r t s o f s p o o l d i s p l a c e me n t a n d o u t l e t fl o w o f c a r t rid g e v alv e ， the P WM s i g n al f r e q u e n c y a n d d u t y c y c l e i n fl u e n c i n g o n t h e c o n t r o l l i n g p e rf o r man c e o f c a r t r i d g e v alv e c o n t rol l e d b y h i g h s p e e d o n ／ o ff v alv e w e r e c o n c l u d e d ． Th e an aly s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e c a r t ri d g e v alv e c a n g e t g o o d l i n e a r c o n t r o l wi t h t h e h i g h s p e e d O n／ O ff v alv e a t l e a d i n g，w h e n the i n p u t s i g n al i s l o w- f r e q u e n c y a n d mo d e r a t e d u t y c y c l e ． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d o n／ o ff v alv e ； C a r t r i d g e v alv e ； C o n t r o l p e r f o rm an c e ； AMES i m； P W M 插装阀具有结构紧凑、流量大、响应快、密封性 好 、工作可靠及方便系统集成等特点。其工作原理与 液控单向阀相同，通常以普通方向阀、压力控制阀作 为先导阀对其主阀的动作进行控制，但控制精度不 高 。高速开关阀具有响应速度快、抗污染能力 强、工作可靠、重复精度高等特点。采用二位三通高 速开关阀作为一个先导阀控制插装阀，可以实现对插 装阀的较大流量和较高精度的控制 。 1 工作原理 腔 c的油压 P 下降，在压差 的作用下，阀芯打开， 油液由 A腔流向 B腔。当高速开关阀通 电时，高速 开关阀的进油口与出油 口连通 ，插装阀控制腔 c的 油压P 与插装阀进油 口A腔的油压 P 相等，由于 A 腔和 c腔承压面积不同和弹簧作用使插装阀阀芯关 闭 。 2系统数学建模 根据对二位三通高速开关阀控插装阀工作原理分 析可知 插装阀阀口的压力 一流量方程为 广一 厂一 C dlA o √ P 1 C dlA o √ s 式中q 。 为插装阀出口流量 ；C 为插装阀的流量系 数 ； A 。 为插装 阀阀口的节流面积 ； P 。 为插装阀进 口 压力 。 二位三通高速开关阀的压力 一流量方程为 fC dw X √ ≥ 【c w X p p2- P 2 式中q 为高速开关阀流量；C 为高速开关阀的流 收稿 日期 2 0 1 1 1 0 2 9 作者简介温成卓 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生 ，主要从事流体传动与控制技术的研究工作。Em a i l w e n c h e n g z h u o 1 6 3．c o m。 6 2 机床与液压 第 4 0卷 量系数；W为高速开关阀的面积梯度；X 为高速开 关阀阀芯最大开口量；8 为 P WM脉冲脉宽调制信 号的占空比，s t ∈[ 0 ， 1 ] 。 插装阀控制腔压缩引起的流量方程 A2 ． g 2 一 _p 2 式中q 为插装阀控制腔压缩引起 的流量； 为插 装阀控制腔的初始体积 ；A 为插装阀控制腔的面积； 为插装阀阀芯位移 ； fi e 为油液体积弹性模量。 插装阀控制腔的流量连续方程 A2 一q 2 q h 插装阀阀口的流量连续方程 q hAl q 1 q 式中 A 为插装阀进口腔的面积。 插装阀阀芯受力平衡方程 ， 孔 茧 B k 0 p A 1 - p 2 A 2 式中m为插装阀阀芯的质量 ；B为插装阀阀芯阻尼 系数；k 为弹簧刚度；P 为插装阀控制腔压力 ；‰为 弹簧预压量 。 3 A ME S i m仿真分析 3 ． 1 仿真模型 根据二位三通高速开关阀控插装阀工作原理及其 数学模型 ，利用 A M E S i m软件建立其仿真模型，如图 2所示。系统仿真模型中各元件 的主要参数设置如 下 高速 开关 阀进 油 口直 径 为 2 m m，球 阀直 径 为 3 m m，阀芯质量为 2 g ；插装 阀的进油 口直径为 1 4 m m，控制腔的直径为 1 7 m m，阀芯质量为 2 0 g ，阀 芯的最大位移为 3 m m 。泵排量为 3 9 m L ／ r ，转速为 1 5 0 0 r ／ m i n 。溢流 阀压力 为 1 0 MP a 。选择 高 速 开关 阀的输入信号分别为 1 0 0 、5 0 、1 0 H z ，P WM脉冲脉 宽调制信号的占空比为0 ． 8 、0 ． 5 、0 ． 2 。 图2 二位三通高速电磁开关阀控插装阀仿真模型 3 ． 2 仿真分析 高速开关阀的 P WM输入信号为 1 0 0 H z ，占空比 为0 ． 5 ，模型仿真结果如图3 5 所示。 0 0 0 ． 0 2 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 ． 0 8 0 ． 1 0 t ／ s 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 ． 0 8 0 ． 1 0 t ／ s 图 3 高速开关的输入信 图4 插装阀阀芯位 图5 插装阀出口流 号 ，1 0 0 H z 移 ／1 0 0 H z 量 -厂 1 0 0 Hz 高速开关阀的 P WM输入信号为 5 0 H z ，占空比 为0 ． 5 ，模型仿真结果如图6 8 所示。 I I l 0 n S n n n 1 n 0 0 0 ． 0 4 0 ． 0 8 0 ． 1 2 0 ． 1 6 t ／ s 图 6 高速开关的输入信 图 7 插装阀阀芯位 图8 插装阀出口流 号 -厂 5 0 Hz 移 ／ 5 0 H z 量 -厂 5 0 H z 高速开关阀的 P WM输入信号为 1 0 H z ，占空 比 为 0 ． 5 ，模型仿真结果如图9 1 1 所示。 鲫 ∞ 鲫 ∞ 加 加 0 m 一 ． ． u l 目． r l v O 2 4 6 8 0 2 4 6 0 O 加加 J 第 2 3期 温成卓 等高速开关阀控插装阀的特性研究 6 3 1 ． 0 0 ．8 咖I 0 ． 6 逛 一 0 ． 4 簿 0 ． 2 0 ． 0 0 图9 高速开关的输入信 图l 0 插装阀阀芯位 号 ，1 0 Hz 移 ，1 0 Hz 高速开关阀的 P WM输入信号为 1 0 H z ，占空比 为0 ． 8和0 ． 2时，仿真出的插装阀阀芯位移曲线图如 图 1 2 所示 。 0 O 一0． 5 一1 ． o 目一 1 ． 5 _ 2 ． o ．2 ． 5 3 0 ．3． 5 0 ． 2 0 o ． 4 0 o ． 6 O t l s a f 0 ． 8 o ． 2 0 o ． 4 0 o ． 6 0 t ／ s b f 0 ． 2 图 l 2 插装阀阀芯位移 由图3至图 5可知，在信号频率 1 0 0 H z时，插 装阀阀芯受阻力、外部压力的影响，阀芯不能达到全 开和全闭位置 ，不能完全跟踪信号频率 ，阀芯位移在 0 ． 4～1 ． 4 m m之间运动。由于阀芯的运动不到位 ，插 装阀出口流量也只能在 5 1～ 5 8 ． 5 L ／ m i n范围内变化， 控制效果不太理想。 由图6至图8可知，在信号频率 5 0 H z 时 ，插装 阀阀芯的位移量与信号频率为 1 0 0 H z时相 比，有明 显改善 ，位移范围0 ． 5～ 2 ． 4 m m。由于阀芯的运动不 能处 于全 闭状态 ，插装 阀出 口流量 范 围 与在 1 0 0 H z 时相似 ，控制效果也不够理想。 由图9至图 1 l 可知 ，信号频率 1 0 H z ，与信号频 率为 1 0 0 H z ，5 0 H z时比较 ，控制性能有明显改善， 插装阀阀芯能够达到全开和全闭状态，能够跟踪该信 号频率。但阀芯在打开和关闭的过程中，需要较长的 运动时间，这是由于高速开关阀在释放插装阀控制腔 中的油液时，需要一定的释放时间；在阀芯关闭过程 中，还受到插装阀进 口压力的阻力，以上两方面的原 因导致了插装阀阀芯在开启和关闭过程中的延时。可 以通过减少插装阀阀芯位移量和减小插装阀进口压力 进行 改进 。 信号频率 1 0 H z ，占空比为 0 ． 2 、0 ． 5 、0 ． 8时， 通过对插装阀阀芯位移曲线 图 图 1 0 ，1 2 的分析 l口 雹 - 图 1 1 插装阀出口流 量 ， 1 0 H z 可以推断出当占空比很大时，插装阀的阀芯会开启 不到位 ，而当占空 比很小时，阀芯可能关闭不到位。 分析原因，主要是由于阀芯惯性和控制油腔油液经高 速开关阀回油时间的存在，造成 阀芯的运动响应延 时，阀芯还没 有完 全运 动到 开启 或关 闭状 态时， P WM脉冲的反向信号已经到来 ，致使阀芯又开始相 反的运动过程。当占空比适 中时，P WM脉冲的上升 沿和下降沿时间段能够满足阀芯的开启和关闭的运动 时间要求 ，阀芯开合状态 良好 ，周期清晰，具有良好 的开关频率特性。 4结论 通过对仿真结果的分析可知 ，以二位三通高速开 关阀为先导阀控制的插装阀，在输人的 P WM信号频 率为高频时性能不甚理想 ，在低频时插装阀阀芯能够 跟踪控制信号；选取合适的占空比可满足高速开关阀 对插装阀的线性控制。该控制方式可以实现液压系统 的较大流量控制，提高系统的控制精度。虽存在着时 间的延时，可以通过减少插装阀阀芯位移量 ，减小插 装阀进 口压力 ，采取补偿或闭环控制的方法来消除这 些不 良的影响，使控制性能达到最佳状态。 参考文献 【 1 】毛卫平． 液压阀[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 9 ． 【 2 】 吴万荣 ， 唐崇茂， 刘永磊 ， 等． 插装阀及其在电液控制油 路中的应用[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 9 1 7 0 7 3 ． 【 3 】 岑顺锋， 吴张永 ， 王京涛， 等． 基于 D S P的高速开关 阀控 液压伺服系统的研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 7 77 9． 【 4 】 刘少军． 高速开关电磁阀的现状及应用 [ J ] ． 液压与气 动， 1 9 9 5 6 1 21 4 ． 【 5 】 石延平， 刘成文． 一种大流量高速开关阀的研究与设计 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 4， 4 0 4 1 9 51 9 8 ． 【 6 】 周福章， 李力千， 刘志玮 ， 等． 高速开关阀的设计与研究 [ J ] ． 机械工程学报 ， 1 9 9 8 ， 3 4 5 1 0 11 0 5 ． 【 7 】邵森寅． 插装式顺序阀及背压单向阀动态特性的研究 [ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 8 ． 0 5 0 5 0 5 O 0 0 d 0 置暑 n l _ ㈡● 一 n U 二 _ ●● I _ n U ● _ 巡 O S 0 5 O 5 0 5 O 0 0 0 置 口、