高压电磁阀多阀体相差流量调节技术研究.pdf

． 电气与自动化 袁圆， 等 高压电磁阀多阀体相差流量调节技术研究 -- -J L _ ． Ej 同 压 电磁 阀多 阀体相差流量调 节技术研 究 袁 圆。 李小宁 南京理 工大 学 机械工程学院 ， 江 苏 南京 2 1 0 0 9 4 摘要高压先导式电磁开关阀为了实现大流量输 出， 通常要增大主阀芯的直径， 也相应地需 要 增加导 阀和 电磁铁 的尺 寸 ， 这使得先 导 阀和 主 阀的响应 时间延 长 ， 难 以达到 快速性 的要 求。 提 出了一种新的技术 方法 ， 可 实现快速 的 大流量输 出。其基本 原理是 采 用 多个 能快速响 应的 小流量 电磁 阀． 通过对每个 阀进行 开启的相位 控制 ， 使 总的输 出流量 既能达到 大流 量需求 ， 又 能达到单个 阀所 具有的快速响应性 ， 同时 ， 还 可以在一 定范围 内实现流量 的拟线性调 节。介绍 了相应的相位差控制模型和试验数据， 结果表明该方法是有效可行的， 为高压气动控制 系统中 负载速度 的控制提供 了一种新的技术途径 。 关键词 高压 电磁 阀； 瞬时输 出流量 ； 相差调节 中图分类号 T M6 4 2 ． 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 5 0 2 - 0 1 5 9 - 0 5 S t ud y o n Pha s e Co nt r o l o f Ou t pu t - -flo w o f Hi g h pr e s s ur e S o l e no i d Va l v e s YUAN Yu a n，LI Xi a o ni n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n iv e r s it y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， Ch i n a Abs t r a c t I n or d er t o r e ali z e l a r g e f low o u t pu t o f t h e high pr e s s u r e gu i d i n g t yp e ele c t r oma g ne t ic s wit c h v alv e，t h e d i a me t e r o f t h e main v alv e c o r e an d t h e s i z e of t h e p i lo t v a l v e a n d t he ma gn e t s h o uld b e i n c r e as e d，t h u s mak in g t he res p on s e t im e o f t h e p i lo t v a l v e a n d ma i n v a l v e d ela y an d i t is diff i c u l t t o mee Ne t he r e qu i r emen t of it s f as t ap e ed． Th i s p a pe r p u t s f o r wa r d a ne w t e ch n i c al me t h od whic h c an b e u s ed t o ou t p u t t h e l a r g e f l o w r a pid l y ．I t s ba s ic pr i n c i p le is t o u s e mu lt iple s mall f l o w s olen o i d v a l v e s t h at c a n res p on d q u ic k ly ． T h e t o t a l o u t p u t f lo w c a n f u lf i l t h e req u i reme n t s o f t h e I a r g e f l o w a n d rap i d r e s p o n s e a n d t h e f lo w i s a d j u s t e d q u a s i- l in e a r ly wi t h in a c er t a i n s c op e b y t h e p h a s e c on t r o1 ． This pa p er a l s o i n t r o du c es t h e c or r e s p on d i n g p h as e c on t r ol mod e l an d ex p e r i me n t al d a t a． Th e res u l t s s h ow t h a t t he me t ho d is eff e c t iv e a n d f ea s ible． A n e w t e c h nic al wa y is p r o vid ed f or c o n t rol i n g t h e s pe e d o f lo ad i n h i g h pr e s s u r e p n eu ma t i c c on t r o l s y s t em． Ke y wo r ds h i g h-p r e s s u r e s o l e n oid v alv e s；i n s t an t a n eo u s o u t p u t f l o w；p h a s e c on t r o l 0 前 言 高压气 动驱动系统很 重要很 迫切 的一种 实际需 求就 是 希望瞬时输出大流量． 驱动负载短时 例如在 3 0 0 ms 以内 加速到期望的高速度 此外根据不同情况 ， 对负载 速度能 进行 适当调节 。这就要求 电磁 阀具备 快速 大流量 输 出能力并能实现一定范 围内流量 的可调。 对于传统结构高压 电磁阀来说， 如果要增大输出流 量 ． 通常要增大主阀芯的直径， 也相应地需要增加导阀和 电磁铁的尺寸． 这使得先导阀和主阀的响应时间延长． 难 以达到快速 性 的要 求 。文 献 『 1 ] 中描 述 的一 种 型号 为 2 w5 0 o 一 5 0高压大通径 电磁 阀 ， T作 压力 可达 1 5 MP a ， 虽 然最 大输出流量可达 5 0 0 L ／ mi n ， 但响应 时 间随着 流量孔 径的增大而增加到 6 S 。因此。 采用传统结构的先导式电 磁阀难以兼顾大流量和快速性的要求， 也难以在达到大流 量和快速要求的条件下 。 实现流量的可调节。 目前在 气动 阀上 也有 采用 电一 气 比例 流量控 制和 脉 宽调制 P WM 方式的流 量调节 方法 ， 该 调节 方法 主要 是 用于控制阀在动态响应结束后的稳态输出流量， 并不适用 于T作在动态输出过程中要求具有流量调节的情形[ 2 , 3 ] 。 为了实 现高压气动驱动系统的重要技术需求 ， 克 服传 统高压 电磁 阀因传统结构带来的 固有性能缺陷 ． 文中提出 了一种瓶的方法， 称为多阀体相差流量调节技术， 以实现 快 速的大流量输 出和在 此条件 下 的流 量可调 。下面将 分 别介绍其技术原理、 理论建模和试验结果。 1 多阀体 相差流量调节 的数学模型 1 ． 1 高压电磁 阀的结构和工作原理 高压电磁阀 的结 构简 化模 型 如 图 1 所 示 ． 该 阀 为常 闭 、 开关型两位 两通 先导式电磁阀 ， 它 的工作原理为 电磁 铁通电后， 随着电磁力的增加， 铁芯克服弹簧力及其他阻 力 拉动先导阀芯 向上 抬起 。 此时先 导 阀口打开 ． 主 阀上 腔 的气体由排气孔排出。 使得上腔的气体压力减小． 在阀芯 周围形成下高上低 的压差 。下 腔的气体 压力推 动 阀芯 向 上运动， 主阀口打开， 压缩气体由入 13流向出13； 电磁铁断 电后 ， 电磁力 消失 ， 弹簧力使先导 阀压 紧在排气 口上 ， 先导 阀 口关闭 ， 入 口处 的压缩 气体通过旁通孑 L 迅速进入阀门并 充满阀芯上腔 ． 在阀芯周 围形成上 高下低 的压差 ． 上 腔 的 作者简介 袁圆 1 9 8 9 - ， 女 ， 安徽马鞍山人 ， 硕士研究 生， 从 事气控 阀方 面的学 习研究 。 Ma c h i n e B u il d i n g A u t o m a t i o n ， F e b 2 0 1 5 ， 4 4 2 1 5 9 1 6 3 1 5 9 电气与自动化 袁圆， 等 高压电磁阀多阀体相差流量调节技术研究 气体压力推动阀芯向下运 动 ， 主 阀I I 关闭 。 图 1 高压 电磁 阀的结构简 图 1 ． 2 高压电磁阀的输出流量 假定高压 电磁阀的工作过程满足的基本条件是 各腔 室内气体均为理想气体 压缩空气在管道系统中作定常流 动 ． 且与外界无 热交换 ， 即热 力学 过程 为等熵 过程 可逆 绝热过程 ； 系统在运行过程中， 各腔室以及管道中的气 体流失忽略不计 电磁铁通电后产生的磁场影响忽略。则 高压 阀主 阀的输 出流量可表示为 Q P c P ≤ c 1 其 中 压缩气体流过的截面积 ， m ； P ． 、 P ， 节 流I 1 的上下游压 力 ， P a ； 节流 口的上游 温度 ， ； C 流量系数 ； K 绝热指数 ． K 1 4 ； 尺 干空气气体常数 ， R 2 8 7 ． 1 J ／ k g x K ； o 临界压力 比。 1 ． 3 流量调节的数学模型和基本原理 数、 气源温度恒定不变的条件下． 流量大小主要与压缩气 体流过的有效截 面积 A有关 。以阀 1 为基 准 。 设阀 2相对 于阀 1 的开启时间滞后一个相位 ． ， 阀 3 相 对于阀 1 开启 滞后一个相位妒 ， 满足以下关系 △ “ 2 1 【 2At 1 at 2 式 2 中 ／ t t 。 、 △ f 分别 为阀 2 相对于 阀 1 、 阀 3相对于 阀 2的延 时 ． 假设三个 阀具有完全 一致 的动态特性 ， 阀芯 开启 过程的速度可以表示 为 t 的 函数 ， 即 t ， 则 阀 1 、 阀 2 、 阀 3的阀芯位移分别为 l t J t d t t ≥0 3 ⋯ {7 ㈩ s，f‘。 ，2 { 。 z d ]‘5 每个电磁阀芯的过流截面积如图2中阴影部分所示， 随 着主阀芯 向上移动， 阀芯位移增大， 过流截面积也不断增大。 ／ ／ ／ ＼ 主 阀芯 D ＼ ①＼ ＼ 、 ／ 、 图 2 过流截 面积的简化 示意图 图中 D为通孔半径， 0为圆心， 0为圆心角弧度数， 则 每个电磁阀芯的过流截面积为 从式 1 中 司以看出 ， 在节流 口上 F 游压力 、 流量系 f D ． 。 。 f 二 ] 一 D - si √ i 而0 ≤ D Oz． _ D ㈤ 厕 。 ’ 并联 回路 中的有效截面积 为每个分支管路 有效截 面 时开启 ， 所 以输 出流量 Q 是关于相 位 。 ， 的函数 ， 将 积的叠加㈤ ， 即 A ￡ ， 。 ， ∑ A ￡ ， 为了获得气动回 式 3 一 式 6 代人式 1 ， 得到输出流量的表达式为 路中输出流量的调节． 需要控制阀按一定相位 ， 延 1 6 0 f l C d A t ， l ， 2 P Q { l l 0 ． 0 4 A ， 1 ， 2 l P 7 h t t p ffZ Z HD ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 - 电气与自动化 袁圆． 等 高压电磁阀多阀体相差流量调节技术研究 从式 7 可以分析得到， 如果取相位差 ． 0 ， 0则可 以在要求的工作时刻点 获得其最大流量 Q 一 ； 如果取 。 a。 ， 即阀2和阀3不开启 ， 则可以在工作时刻点 获得一个最小流量 Q ～ 。如果选 取不 同的相位差 、 ， 则 有望在工作时刻点 获得一个拟线性的流量变化， 从而使所 驱动的负载在该时刻点具备不同的发射速度 。如 图 3所示 ， 在工作时刻点 有最大流量 Q 和最小流量 Q ， 通过控制相 位 ， 延时开启 ， 有 Q Q Q 。 ， 这就是所提出的并联 多阀体流量相差调节的技术原理。 输 出流 量 p ro L ／ra i n 2 实验研 究 图 3 原理示意 图 2 ． 1 实验原 理与设置 图4给出了并联多阀体工作的气动回路和测试原理 图。其中实线表示连接各气动元件的高压管路 ． 虚线表示 各模拟信号输入 、 输出回路。它的工作原理为 压缩气体 经过 干燥器 并通过减 压 阀将较 高 的输 人压力 降低 到所需 压力的数值 ， 通过储气罐以稳定压缩气体的输入压力， 打 开手动开 关 阀 ， 使 气 体 流入 高 压 电磁 阀 的各 腔 室 ， 利 用 L a b v i e w软件编写的控制程序 ， 设置调节参数。运行后通 过 P C机发出电信号． 经放大电路将 5 V模拟输出电压扩 大到 2 4 V． 以驱动电磁阀打开， 压缩气体流经电磁阀排人 大气； 压力和流量传感器将采集到的数字信号转为模拟电 压信号 ， 传递并储存于 P c机． 以便于后续对数据的处理 和分析 。根 据实验原理 ， 搭建 了实验 平台 ， 如 图 5所示 。 ⋯ ⋯ _ _ _ _ ⋯ ⋯ ～ ⋯ ] 图 4实验原理 Ma c h i n e B u il d i n g日 A u t o m a t i o n ， F e b 2 0 1 5 ， 4 4 2 ～1 6 3 2 ． 2 实验过 程 图 5 实验 平台 通过对 于相 差流量调节方法 的理论分 析 ， 从 式 7 中 不难发现， 输出流量是一个关于时间 t 以及相位 ． ， 的复杂表达式 ， 难 以直接获得一个 流量 与时间的简洁解 析 表达式 。为了简化控制模 型 ， 便 于进行 控制 ， 采 用 了一 种 在实验基础 上的简化处理 。 即对阀的流量特性进行实际测 量 ， 获得阀的流量随时间的变化曲线 ， 然后对流量曲线进 行多项式离散拟合。 获得一个流量与时间的解析表示， 以 此作为实际控制的依据。 a 基于离散拟合式的控制模型 将输入的气源压力调至 1 M P a ． 以阀 1为基准． 利用 流量传感器测得阀 1 的输出流量随时间变化的曲线， 如图 6所示。可 以看 出， 输 出流量从零 达到稳定状态 需要 5 0 0m s 的时间， 在阀开启的这段时间。 通过控制阀2与阀3 按一定 相位 。 ， 妒 延 时 开 启 ， 在 同一工 作 时 刻 有 Q c Q 日 Q 。 咖1 堰 羽 辑 图 6 流 量特性 曲线 由于 t 5 0 0 ms 之后 阀 1的输 出流量处 于稳 定状 态 ． 从而取 0 5 0 0 ms 之间的数据进行拟合计算。利用 Ma t l a b 拟合工具箱 ， 选择四次多项式拟合方式， 得到输出体积流 量 Q 随时间t 变化的表达式 Ql t 口 t 4 6 t 3 c t 2 t 8 其 中回归 系数 为 a一1 ． 5 4 2 e 一8， b 1 ． 7 3 6 e 一 5， c 一 O ． 0 0 91 6， d3 ． 6 5 4 假设三个阀具有一致 的动态特性 ， 则阀 2 、 阀 3的流 量表达式为 Q 一 妒 f 0 ￡ l o 2 2 一 ， 6 2 2 一 。 c 2 I； 口 2 一 d 2 2 e 2 2 ≤ 1 1 其 中 f Q ⋯ 6 1 7 ． O l 6 ， 3 0 0 { n l 一 1 ． 5 e 一 8 ， b l 一 1 ． 7 e 一 5 ， c l 一 0 ． 0 0 9 2 ， d l 一 3 ． 7 ， e l 1 7 7 0 I 口 2 一 1 ． 4 e 一 8 ， b 1 一 1 ． 6 e 一 5 ， c 1 一 O ． 0 0 8 2 ， d 1 一 3 ． 3 ， e l 2 3 3 0 b 实验结果分析 通过对式 1 1 的理论计算和实验测量， 获得瞬时输 出流量 Q与相位 。 ， 相 对应 的理论 坐标点 和实验 坐 标点， 从而得到 Q随 ， 妒 的变化曲线， 如图 5所示， 其 中相位数组 妒 ， 的取值在表 1中注明。从罔 7中 可以明显看出， 实验曲线与理论曲线上升趋势基本吻合 ， 虽然存在一定的偏差， 但范围很小， 均在 5 ％之内。前 8个 坐标点的偏差较为明显 。 且实验值均高于理论值 ， 这是 因 为推导的理论公式是将三个阀看成是性能相同的， 认为其 具有一致的静动态特性 并 以阀 1的流量特 性 为基准 进 行公式推导。但实际上三个阀的流量特性略有差异， 测得 l 6 2 图 7 瞬时输出流量一 相位数组 的阀 2 、 阀 3 输出流量略高于阀 1 。但流量误差的数值还 是较小的 ， 因此采用该控制模型是可信适用的。 表 1 相位数组 3 采用相 差流量调 节方 法的负 载驱 动实验 压缩气体 的流量 大小是影 响气动驱 动装 置速度 的主 要影响因素， 因此对于多阀体相差流量调节方法的实用效 果验证需通过对 于某负 载驱动 系统 的速度调节来实现 。 3 ． 1 负载驱动实验过程 由于负载驱动实验是在高压的特殊环境下实现执行 元件的高速运动， 选用 L G C 7 0 ／ 1 4 0 1系列气缸作为执行 元件， 在之前所搭建的流量实验平台基础上， 将原先直接 连接到大气的三个高压电磁阀总管路的输出端接入气缸 的进气端， 并在缸杆末端装有 2 5 的质量块 ， 如罔 8所 示。利用 激光位移传 感器对 负载运行 过程 的位 移变化 进 行实时监测， 通过 L a b v i e w软件编写 的控制程序将相差流 量调节的控制模型应用到该负载驱动系统 ， 进行速度调节 实验。 图 8 负载驱动实验平台 3 ． 2 实验结果分析 由于负载的驱动速度需求在活塞运动到 0 ． 6 m时， 其 发射速度要达到最大， 在取相位差 0 ， 0 即阀 1 、 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． n E - m a i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 圜 电气 与 自动化 袁圆 。 等 高压电磁 阀 多阀体相差流量调节技术研 究 2 、 3同时开 启 ， 有最 大发 射 速度 ， 对应 的工作 时刻 3 0 0 m s 。因此利用所建立的相差流量控制模型， 将输 入气源 压力稳定在 1 MP a ， 以 O ． 6 m位 置处 的速 度作为 被 控对象 ， 测得 速度 ／3 随相位 数 组 的变 化 曲线 如 图 9所 示 ， 对应的相位数组 ， 同表 1 。 图 9 速度一 相位数组 结合图 9和表 1 ， 不难发现， 负载的驱动速度在取相 位差 ． 0 ， 0 ， 可 以在所需发射位置处 即行程为 0 ． 6 m 的发射速 度达 到最大 ， 有 4 ． 0 5 3 m ／ s ； 在相位 差 妒 。 ∞， 妒 ∞时， 有最小的发射速度 2 ． 3 0 3 m／ s 。其 间 根据相差 流量控 制模 型选 取不 同 的相 位差 ， 可以实 现 负载 的驱动 速 度从 最 大调 至最 小 。因 此该 流 量 调 节 方 法不仅可以使负载驱动在所需的工作时刻达 到高发射 速度的要求． 也可对其负载驱动进行多级调速， 已满足 不同负载类型或不 同外部环境条件下对于发射速度 的 不 同要 求 。 4结论 针对高压先导式电磁开关阀的输出流量与响应速度 之间存在矛盾的问题 ， 提出以快速响应的多个小流量电磁 阀为基础 ． 构建 了多 阀体相差流量调 节系统的实验平 台， 以工作时刻 3 0 0 ms 的瞬时输出流量为控制 目标 ． 相 位差 ， ， 作为调节变量 ， 控制三个并联的相同阀按一 定相位差 ， 开启， 实现在预定工作时刻 执行气缸 的预定工作位置 的流量可调和负载发射速度可调。 利用离散拟合方法建立了理论控制模型， 通过大量 实验验证了控制模型的准确性， 实验数据表 明， 在同一 工作时刻 T w 3 0 0 m s ， 在取相位差 0 ， 0 即阀 1 、 2 、 3同时开启 ， 对应的瞬时输出流量和负载驱动速度均 有最大值， 即 Q ⋯1 9 0 2 ． 6 L ／ m i n ， 4 ． 0 5 3 m ／ s ； 在取相 位差 * ， o 。 即 阀 2 、 3不开 启 ， 其 瞬时输 出流量 和负载驱 动速度均 有最小 值 Q 6 2 0 ． 5 L ／ ra i n ， 2 ． 3 0 3 m ／ s ； 当选取不同的相位差 ， 妒 时， 阀的工作时 间不同． 从而对应的流量 Q和负载驱动速度 也有所不 同， 且有 Q Q Q ， U B 。可见该调节技术方案不 仅使 得气动 系统 中总 的输 出流量 达 到大 流量 的要求 ． 又 具有了单个阀的快速响应特性， 解决 了输 出流量与响应 速 度之 间的矛盾 ． 同时 在一 定 范 围内实 现 了对 流量 和速 度 的调节 ， 满 足了实 际系统 对 最大 驱动 速度 和驱 动速 度 可 调的需求 。 参考文献 [ 1 ] 工 洲 阀 门 产 品 手 册．h t t p ／ ／ w e n k u ． b a i d u ． c o rn ／ v i e w ／ f b 1 b 0d 3 4e e f d c 8 d 3 7 6 e e 3 2 3a - h t ml [ 2 ]韩晓丽． 广义 预测在气 动伺服 系统 中的应用研究 [ M] ． 太原 太原科 技大学 ． 2 0 0 8 ． [ 3 ]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 l 2 ． [ 4 ]路 甬祥．液 压 气 动 技 术 手 册 [ M] ．北 京 机 械 工 业 出 版 社． 2 0 0 2 ． 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 5 上 接第 1 4 2页 6 结语 ， 通过刚度计算和模态分析掌握了车身的基本性能 ， 同时也为后续的优化设计提供理论依据。目前客车车 身的弯曲刚度和扭转刚度还没有统一的国家标准 ， 参照 国内外学者 的研究成 果 ． 证 明 车身结 构 弯 曲刚度 和扭 转 刚度是合理的。车身前 6阶 自由模态振动频 率在 8 ． 2 H z 一1 8 ． 2 Hz 之间 ． 前几阶整体振型都符合要求 ， 说明车 身骨架动态特性较好 ， 但左右侧 围局部振型较明显 ， 这 样客车行驶时不仅会产生振动与噪声 ， 还可能导致车身 局部构 件产 生疲 劳损 坏 ． 后期 需 要进 行局 部优 化 设计 以 提高整车性能。 参考文献 [ 2 ]高云凯 ， 张海华 ， 余海燕． 轿 车车身结 构修改灵敏度 分析 [ J ] ． 汽车工 程， 2 0 0 7 ， 2 9 6 5 l 1 - 5 1 6 ． [ 3 ]薛冰洋． 汽车座椅灵敏度分 析及其 结构优 化的研究 [ D] ．长 春 吉林大学 ． 2 0 0 8 ． [ 4 ]徐秉 业， 王 建学．弹性力 学 [ M] ． 北 京 清华大学 出版 社 ． 2 0 0 7 ． [ 5 ]胡宗武 ， 吴 天行． 工程振动 分析基础 [ M] ．上海 上海 交通大 学 出版社 ． 1 9 8 5 ． [ 6 ]S c h mi d ， Hi m c h e n ， Me y n e n ， S c h a f e r ． A n e n c h a n c e d a p p r o a c h f o r s h a p e o p t i mi z a t i o n u s i n g a n a d a p t i v e a l g o r i t h m． F i n i t e e l e me n t s i n A n a l y s i s a n d D e s i g n ， 2 0 0 5 ． 2 5 2 1 ～5 4 3 ． [ 7 ]陈文弟．客车制造工艺技术 [ M] ． 北京 人 民交通 出版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 8 ]K a o ， T h e F i n i t e E l e m e n t Me t h o d I n E n g i n e e r i n g ， P e r g a me n P r e s s ， Ox f o r d， 1 98 2 ． [ 9 ]K a r d e s t u n e e r H． F i n i t e E l e m e n t H a n d b o o k ． Mc g r a wh i l l B ook ． Co mp a n y， 1 9 8 7． [ 1 ]黄金 陵． 汽车车身设计 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 1 ． 收稿 日期 2 0 1 41 1 一l 1 Ma c h i n e B u i ld i n g g Au t o m a t io n ，F e b 2 0 1 5 ，4 4 2 1 5 9 - 1 6 3 1 6 3