高速开关电磁阀在军用工程机械上的应用探索.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 l 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 2 9 高速开关电磁阀在军用工程机械上的应用探索 盛锋 ，郑昆山，石磊，邹少军 总装工程兵科研一所 ，江苏无锡 2 1 4 0 3 5 摘要高速开关电磁阀由于具有极高的响应速度 、结构紧凑 、工作耐久可靠、抗污染能力强等优点，在国外已被广泛 地应用于汽车、工程机械 、农业机械等许多方面。介绍高速开关电磁阀的发展概况及工作原理，在此基础上探讨高速开关 电磁阀在军用工程机械上的应用前景。 关键词高速开关电磁阀；脉宽调制方法；军用工程机械 中图分类号T Q o 1 6 ． 5 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 8 2 3 Di s c us s i o n o n App l i c a t i o n o f Hi g h S pe e d On- O f f S o l e n o i d Va l v e i n M i l i t a r y En g i ne e r i ng M a c h i n e r y S HE N G F e n g ，Z H E N G K u n s h a n ，S H I L e i ．Z 0 U S h a u n T h e F i r s t E n g i n e e r s S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e o f t h e Ge n e r a l A r ma me n t s De p a r t me n t ， Wu x i J i a n g s u 2 1 4 0 3 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h i g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e h a s b e e n w i d e l y u s e d i n v e h i c l e s ， e n g i n e e ri n g ma c h i n e r y a n d a g r i c u l t u r a l ma c h i n e r y e t c b e c a u s e o f i t s h i g h r e s p o n s e p r e c i s i o n，c o mp a c t s t r u c t u r e，r e l i a b l e o p e r a t i o n ， a n d b e t t e r a n t i p o l l u t i o n a b i l i t y ． T h e d e v e l o p i n g s i t u a t i o n a n d w o r k p rin c i p l e o f t h e h i g h s p e e d o n o ff s o l e n o i d v a l v e w e r e i n t r o d u c e d ． I t s a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n mi l i t a r y e n g i n e e r i n g ma c h i n e ry w e r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s Hi g h s p e e d o n - o ff s o l e n o i d v a l v e；P W M me t h o d；Mi l i t a ry e n g i n e e rin g ma c h i n e ry 1 高速开关电磁阀发展概况及工作原理 1 ． 1 发展概 况 国外早在2 0世纪 5 0年代末就开始了高速开关电 磁阀的研制工作 ，但在 1 9 7 5年以前只限于实验室研 究。高速电磁开关阀自2 0世纪 7 0 年代问世以来，国 内外许多厂家、公司竞相研制出不少的型式结构 ，对 高速开关阀的研究和应用已经成为液压界的一个重要 课题 。 英国最先开展高速开关阀研究，2 0世纪 7 0年代 末开发 出两种特殊结 构的高速开关 阀，开启时 间 0 ． 7 5 m s ，关 闭 时 间 0 ． 8 m s ，可 达 到很 高流 量 。 美国某公司则于 1 9 8 4年推 出了一种三通球形高速电 磁开关 阀 ，该 阀开启 时 间 3 m s ，关 闭 时间 2 m s ，工 作压力 1 0 MP a 。随后 ，德国一公司成功地开发出一 种适用于超高压下工作的高速开关电磁阀，响应时间 为0 ． 2 m s ，工作压力为 1 3 5 M P a 。日本学者研制出一 种三位四通滑阀结构的高速开关电磁阀，最高工作压 力5 0 M P a ，响应时间为 1 m s 。 与国外相比，我国的高速电磁开关阀的开发研究 工作起步相对较晚，有关高速电磁开关阀的研究始于 2 O世纪 8 0年代后期 ，所开展的工作大致可以分为两 个方面，即一方面是跟踪国外的研究 ，探索电磁开关 阀实现快速响应的基础理论；另一方面则是 自主或合 作开发高速电磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装 置 。 目前 ，国内某厂研制成功了 H S V系列高速开关 电磁阀，该阀为螺纹插装式结构 ，阀的开启时间为 3 m s ，关闭时间为 2 m s ，最高额定工作压力为 2 0 M P a ， 额定流量为 2～ 9 L ／ m i n 。 1 ． 2 工作原理 图 1 为一推杆球阀式高速开关电磁阀的结构图。 I 2 4 ， S 6 7 臻t-- 回油 口 s _ _ 回 油球 阀 6 _ ． 分 离销 7 _ 供 油球 阀 图 1 高速开关电磁阀结构图 该阀由衔铁、阀体、线圈、回油球 阀、供油球 阀、极靴、分离销等7个部分组成。该高速开关电磁 阀控制方式是 P WM方式，即脉宽调制式。当脉冲信 号为低电平时，电磁铁断电，回油球阀5在回油 口和 收稿 日期2 0 1 1 1 1 2 2 作者简介盛锋 1 9 8 4 一 ，男，硕士，工程师，研究方向为工程机械流体传动。E m a i l s h e n g f e n g c y q q ． c o m。 第2期 ． 盛锋 等高速开关电磁阀在军用工程机械上的应用探索 8 3 进油口压差的作用下向左运动，最终紧靠在回油阀座 密封座面上 ，使回油 口断开，进油 口与工作油 口连 通 ，实现控制动作。当脉冲信号为高电平时，电磁铁 通电，衔铁 1 产生电磁推力通过顶杆和分离销 6 使 回 油球阀一起向右移动，直到供油球阀靠到其密封座面 中，此时供油中断，回油打开，实现回油H ] 。 由高速开关电磁阀的工作原理，可知阀的平均流 量 Q与脉冲信号的占空比 成正比。即 Qc l Q 1 式中Q 为阀的最大流量。 一 Q C dA v ／ 2 P 式 中 C 为流量 系数 ； A 为阀口流通面积； △ p为 阀 口压差 ； P为流体密度。 从式 1 可以看出通过调节占空 比，就可 以 连续地控制通过开关阀的平均流量，实现对流量的准 确连续控制 ，最终实现对输出压力的控制。 1 ． 3 性能特点 表 1 列出了高速开关电磁阀、伺服阀和比例阀的 主要特点 。 表 1 3种电液控制阀的特点比较 从表 1中看出高速开关电磁阀具有良好的控制 性能 ，同时还具有极高的响应速度、结构紧凑、工作 耐久可靠 、抗污染能力强、价格低等优点，故在国外 已被广泛地应用于汽车、工程机械、农业机械等许多 方面 。 2 高速开关电磁阀在军用工程机械上的应用探索 2 ． 1 代替 多路换 向阀的先导 阀 军用工程机械液压系统中多路换向阀大多采用以 比例减压阀作为先导级的液压先导多路换向阀或电液 比例 控 制 多 路 换 向 阀。 数字式多路换 向 阀采用 高速数字开关 阀取代 比例减压阀作 为先导级，控制多路 换 向 阀 主 阀芯 的位 移，主阀控制 口可获 得与主阀芯位移成 比 图 2 数字多路换向 阀简化模型 例的输出流量，从而实现对工作装置运动速度及方向 的控制 。图2为数字多路换向阀的简化模型。 考虑到军用工程机械工作装置操纵 的习惯性， 控制信号的输入仍然采用操纵杆。操纵杆转动一个 角度，它就成比例地发出一个电信号，送给 A I D转 换器，再将信号送给 E C U，经 P WM放大器发 出相 应脉宽的脉冲电压 ，即控制高速电磁开关 阀的占空 比，也就控制 了其 出 口的流量。图 3为控制原 理 图。 图 3 控制原理图 利用数字式多路换向阀可构成高可靠性、适用于 军用工程机械的数字电液比例控制系统，成为计算机 应用于液压系统的最佳组成形式之一，而且价格只是 传统的电液 比例控制系统 的 1 ／ 5～1 ／ 3 。因此 ，该种 控制系统在实际工程中将会得到越来越广泛的应用。 2 ． 2 悬 架 系统 的应 用 车辆悬挂系统分为被动悬架、主动悬架和半主动 悬架 3种。目前，军用工程机械中高速履带式和轮式 工程车一般仍采用扭杆弹簧式被动悬架或油气悬架， 这种系统不能主动地产生控制力 ，而只能消极地起一 些减缓作用。作者提出一种基于高速开关电磁阀型式 的悬架系统 ，利用高速开关阀的性能实现阻尼连续可 调 ，见图 4 。 图4 高速开关电磁阀控制的悬架系统 该悬架系统工作时，进入和流出减振缸的油液都 由高速开关电磁阀控制。通过 E C U调节控制高速开 关电磁阀的 P WM信号的占空比，就可连续地控制通 8 4 机床与液压 第4 1 卷 过开关阀的流量，实现对流量的准确控制。图中控 制元件均为高速开关 阀，其结构简单 ，控制 电路简 单 ，工作可靠 ，在车辆上实现方便；由于它可以在较 大范围内适应车辆悬挂质量运动速度和加速度因素影 响，可以通过调节流量提供不同的阻尼力，实现阻尼 力连续变化；采用高速开关电磁阀价格低，抗污染能 力强，维护使用方便。 2 ． 3 油 门控制 系统 的应 用 为适应现代战争的需要 ，军用工程机械正向无人 化、智能化方向发展，这必将导致遥控技术在车辆上 的应用。利用高速开关电磁阀组成的油门控制系统响 应速度快、控制精度高，且适于遥控。其结构原理如 图5所示。油门控制系统采用油缸控制油门的变化 ， 活塞杆行程直接对应油门开度的大小 。油缸是由两 个常闭高速开关电磁阀控制的单作用液压缸，电控单 元输出 P WM信号分别控制阀 1 、2 ，实现油缸的3种 工作状态阀 1 通电， 液 压 油经 阀 1进 入油 缸无杆腔，活塞杆伸 出 ；阀 2通 电 ，在 回 位 弹 簧 的作 用 下 ，油 液 经 阀 2流 回 油 箱 ， 活塞 杆缩 回；阀 1 、2 同时断电，活塞杆保 持原位 。 ；l_ _ ⋯回 ⋯ l l l 。I 控釉信号 图5 油门控制系统 油门控制系统的控制原理如图6所示。输入量是 活塞杆的目标行程 根据遥控指令 、当前车速、挡 位等按一定的算法求得 。E C U根据 目标行程和实际 行程的差值 ，按照一定的控制策略，输入不同占空比 的脉冲信号驱动电磁阀，改变进入或流出油缸的平均 流量 ，实现对油缸活塞杆 的运 动速度 和方 向的控制 ， 从 而实现对油 门开度 的控制 。 图 6 控制 原理 2 ． 4 变速 器控 制 系统 的应 用 军用工程机械通常伴随装甲部队作战，装 甲车 辆的高机动性必将导致军用工程机械 的高机动性 。 采用 A M T可有效地提高军用工程机械的机动性能， 可以大大缩短车辆的起步时间和换挡时间，为其在 战场上快速机动和逃避敌车 机攻击赢得更多的 时间。图7为由高速开关电磁阀组成的变速器控制 系统 。 l 一电机 2 一油泵 1 3 一溢流阀 4 一 电控E C U 5 _压力传感器 6 、7 、8 _高速 开关 电磁 阀 9 、l l 一位移传感器 j 1 O 、l 2 一执行缸 1 3 - - 蓄能器 图7 变速器控制系统 A M T一个工作循环为离合器分离一换挡一离合 器结合。采用了 A MT后可以省去离合器踏板 ，完全 由手动操作换挡。图中，执行油缸为由高速开关阀控 制的单作用和双作用油缸 ，电控单元输出 P WM信号 控制阀6 ，实现油缸的进回油。在平常状态下，执行 缸无杆腔油液通过阀6 、7流回油箱。车辆在行进中 换挡时，根据 E C U的控制程序，阀 6断电，离合器 在离合器油缸回位弹簧作用下迅速分离 ；阀 7通电， 压力油通过阀7进入换挡油缸，推动活塞杆换挡 ；阀 6通电，压力油通过阀6进入离合器油缸，推动活塞 杆使离合器结合 ，完成整个换挡过程。 3结 论 高速开关阀具有响应速度高、工作耐久可靠、抗 污染能力强、价格低等优点，适用于军用工程机械某 些系统，且可大大改善它们的性能。文中探索了高速 开关电磁阀在军用工程机械4个方面的应用探索，很 好地反应了其在军用工程机械上的应用前景 ，且具有 很强 的可行性 。 参考文献 【 1 】S E I L L Y A H ． C o l n o i d A c t u a t o r s F u r t h e r D e v e l o p m e n t s i n E x t r e m e l y F a s t A c t i n g S o l e n o i d s [ R] ． S A E T e c h n i c a l P a p e r 8 1 0 4 6 2， 1 9 8 1 1 7 7 0 1 7 8 1 ． 【 2 】胡竟湘 ， 李建军， 钟定清． 高速开关阀及其发展趋势 [ J ] ． 机电产品开发与创新 ， 2 0 0 9， 2 2 2 6 0 6 2 ． 【 3 】张廷羽， 张国贤． 高速开关电磁阀的性能分析及优化研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 9 1 3 91 4 1 ． 【 4 】 刘国强， 陈德民， 孙伟， 等． 双离合器自动变速器控制系 统中高速电磁阀特性分析及其控制研究 [ J ] ． 液压与气 动， 2 0 1 1 2 3 8 4 1 ． 【 5 】 刘顺安， 王同建， 牛铭奎， 等． 新型数字高速开关阀为导 阀的电液比例多路换向阀[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 0 ， 1 1 3 3 23 5 ． 【 6 】郜立焕， 褚金利， 周刚， 等． 一种数字式多路换向阀及其 P L C控制[ J ] ． 兰州理工大学学报， 2 0 0 5 ， 3 1 4 5 5 5 7 ． 【 7 】吴绍斌 ， 杨东来， 陈慧岩． 一种高速开关阀控的油门伺服 系统[ J ] ． 北京理工大学 ， 2 0 0 3 ， 2 3 2 1 7 21 7 5 ． 【 8 】张秀英 ， 王晓华． 数字 阀的开发与应用 [ J ] ． 液压与气 动， 2 0 0 1 3 3 23 3 ． 【 9 】 刘少军， 李庆春， 罗松保． 高速开关电磁阀在工程机械方面 的应用分析[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 0 0 ， 2 0 1 3 5 3 7 ．