高速开关阀流量特性的试验研究.pdf

2015年 12月 机 床 与 液 压 Dec. 2015 第 43 卷 第 23 期 MACHINETOOL 1 HYDRAULICS Vol. 43 No. 23 DOI 10.3969/ j . issn. 1001-3881. 2015. 23. 001 高速开关阀流量特性的试验研究 杨树军，王楠，王青 燕山大学车辆与能源学院，河北秦皇岛066004 摘要针对车辆、工程机械领域应用广泛的高速开关阀，分析了常闭型二位二通高速开关阀的结构及工作原理，设计 了高速开关阀流量特性实验台，并进行其静态特性试验。试验结果表明控制高速开关阀通断的脉宽调制信号频率对开关 阀的流量影响不大，尤其在占空比为2 0 P〜80P时，几乎没有影响；对流量随占空比变化曲线的线性度影响较大，频率越 大，线性度越高；相同占空比下，高速开关阀流量随阀口压力的增大而增加；反向得出了该试验用高速开关阀的等效流通 面积。 关键词高速开关阀；流量特性；等效流通面积 中图分类号TH137 文献标志码A 文章编号1001-3881 2015 23-001-3 Experimental Study of the Static Characteristics of the High-speedSwitchValve YANG S h ujun，WANG N a n ，WANG Qing Department of Vehicle and Energy，Yanshan University，Qinhuangdao Hebei 066004，China Abstract Aimed at the high-speed switch valve widely used in the fields of vehicle and mechanical engineering，the structure and operational principle of closing normally two-way high-speed on-off valve were analyzed. The test bay flow characteristics of high-speed switch valve was designed and the test was carried out. Experimental results showthat the frequency of pulse width modulation signal which controls high-speed switch valve has little effect on the size of the valve flow，especially when the duty ratio is 20P 〜80. The frequency has great effect on the valve flow with the curve of changing duty ratio，and that is the greater the frequency，the higher the linearity of the curve. The flow rate ii being increased gradually with the increasing of pressure at the same duty ratio. Moreover the e quivalent flow area is obtained by experiment data. Keywords High-speed switch valve; Flow characteristics; Equivalent flow area 〇 前言〇 前言 高速开关阀是一种新型的数字式电液转换控制元 件，采用脉冲流量控制方式，直接根据一系列脉冲电 信号进行开关动作[1]，具有可靠性好、结构简单、价 格低廉、抗污染能力强、对电子控制回路要求低等特 点[2_6]。高速开关阀主要有锥阀式和球阀式两种，球 阀式高速开关阀由于其密封性好、反应灵敏、动态响 应好而得到普遍应用[7]。在新型气动元件电-气比例 调压阀、风力机制动系统、液压系统的数字式变量泵 以及车辆换挡品质的改善方面均用高速开关阀进行控 制[8_11]。目前已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、 农业机械、工程机械等重要领域。例如用高速开关阀 取代传统的电液比例阀，与多路阀构成数字电液比例 换向阀，实现对装载机的数字化电液比例控制[12-5]。 文中对高速开关阀静态特性进行了试验研究，分析了 系统压力、控制信号频率等因素对高速开关阀流量的 影响规律。 1高速开关阀的结构及工作原理1高速开关阀的结构及工作原理 图 1 为某二位二通常闭型高速开关阀的结构简 图，当高速开关阀线圈通电时，衔 铁 1 在电磁力的作 用下，克服弹簧力、摩擦力和液动力，推动顶杆6 带 动供油球阀7 向右运动，从而使阀口打开；当线圈断 电时，供油球阀在液动力和弹簧力的共同作用下向左 运动，最终压紧在供油球阀密封座上，阀口关闭。利 用单片机及驱动电路产生的脉宽调制（PWM 信号 来控制高速开关阀通断，当信号频率一定时，通过信 号的占空比变化改变阀开启、关闭的时间。 收稿日期2013-11-25 基金项目国家自然科学基金资助项目（51175449 作者简介杨树军，教授，硕士生导师，主要从事车辆新型传动及控制方面的研究。E-mail ysjysu.edu. cn。 通信作者王捕，E-mail wnjob sina. cn。 机床与液压 第 4 3 卷 2 2局速开关阀流量特性试验2局速开关阀流量特性试验 高速开关阀的流量特性是高速开关阀的重要静态 特性之一，可以反映阀对系统压力的控制能力。图 2 是高速开关阀流量特性的试验台原理图。通过变频器 调节电机的转速控制输入流量的大小；单片机通过驱 动电路产生不同频率的PW M信号控制高速开关阀的 启闭；数据采集系统通过压力、流量传感器采集高速 开关阀压力、流量参数。试验台所用设备及型号见 表 1。 图2高速开关阀空载流量特性实验台简图 表表 1试验验设备备 器件名称型号参数 电动机 Y100L-42.2 kW 液压泵 CB-B44 L/min/1 450 r/min 变频器FR-E7203A 安全阀 P-B630 〜2. 5 MPa 压力传感器 JYB-KO-MAS-10〜5 MPa 流量传感器 LWGYA-40.04 〜0.25 m3 /h 防震压力表 Y-60B-FZ0 〜4. 6 MPa 3试验结果分析3试验结果分析 3. 1压力对高速开关阀流量特性的影响 选取工作频率为25、50 Hz，开展不同压力下流 量随占空比的变化规律试验，试验结果如图3 所示。 图 3 a 为工作频率25 Hz、系统压力分别为1.6、 1.0 M P a时，流 量 与 占 比 的 变 化 曲 线 ；图 3 b 为工作频率40 H z时的试验曲线。 由图3 a 可得压 力 为 1.6 MPa、工作频率 为 25 Hz、占空比在2 0 〜 80期间，流量特性线性 度为7. 4 ; 压力为1.0 MPa、工作频率为25 Hz、占 空比在2 0 〜 80期间，流量特性线性度为4. 8 。 试验结果表明⑴流量与压力的大小成正比；（ 2 占空比、信号频率一定时，压力与流量的线性度成 正比。 3 . 2 频率对高速开关阀流量特性的影响 在高速开关阀的有效工作频率范围内，选择25、 40、50 Hz 3 种脉宽调制频率开展高速开关阀流量 随占空比 变化规律的试验。图 4 是最大压力为1.6 M Pa时，高速开关阀的流量随占空比变化的关系 曲线。 图4不同工作频率下流量占空比关系试验曲线 由图可得⑴ 不 同 工 作 频 率 下 ，相同占空比 的流量变化很小，最大偏差为0.067 L/m in，频率对 流量的影响很小，在占空比为2 0 〜 80时，影响更 小。（ 2 在工作频率为25 Hz、占空比为5 时，油 液流量为0.073 L/m in，高速开关阀基本没有死区； 而工作频率为50 Hz、占空比为5 时，油液流量为 基本为0。由此可见高速开关阀的响应特性与控制信 第 23 期 杨 树 军 等 高速开关阀流量特性的试验研究 3 号的频率密切相关，频率越高，个脉宽周期内通 断电时间越短，阀的死区及饱和区越大。 ⑶ 工 作 频率分别为25、40、50 H z时，流量随占空比变化曲 线的线性度依次是7.4、8.35、8.8，即工作频 率与曲线的线性度成正比。 3.3 高速开关阀等效流通面积的确定 高速开关阀是一种小巧精密的元件，在做仿真模 拟时需要阀的一些具体尺寸，很重要的一个参数是阀 的等效流通面积“。高速开关阀平均流量公式为 式 中 为 流 量 系 数 ；“为高速开关阀流通面积， mm2; p为液压油密度，kg/m3; 为高速开关阀前 后压差，MPa; 为占空比。 由高速开关阀平均流量公式⑴可以得出 “ 2 2/A*“2 2 图 5 为高速开关阀阀口全开即占空比为100、 信号频率为25 H z时，流量与压力的变化曲线。在系 统压力为0.7〜 1.6 M P a时，流量随压力基本成线性 变化。根据试验数值得到 2御 随 系 统 压 力 的 变 化 曲线，如图6 所示。由图可知 2直基本是一个定 值 0.625,这对于高速开关阀等效流通面积的确定提 供了重要依据。代 入 公 式 ⑴ ，得到 “ 0. 3 mm2。 I 名 0. 2 o1-----1-----1 ------1-----1 ------1 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 压力/MPa/MPa 图6不同压力时 2/A/值 4结论4结论 文中开展了某常闭型二位二通高速开关阀流量特 性的试验研究，，通过不同参数对比分析，，得出以下结 论 ⑴ 其 他 条 件 一 定 时 ，，高速开关阀流量与压力 的大小成正比 ⑵高速开关阀流量的线性度与压 力大小成正比；；⑶控制信号频率对流量影响很小，， 但阀的线性度随频率的增加而增大 ⑷ 信 号 频 率 越高，，阀的死区、、饱和区范围越大；；当高速开关阀控 制信号的占空比一定时，，流量随压力的增加而增大; ; 5 通过试验反向测得高速开关阀等效流通面积，， 方便仿真、、研究使用。。 参考文献参考文献 1 ] 李玉贵， 杨晓明， 高学杰W M高速开关阀静特性研究 [J].太原重型机械学院学报， 2002,23168-71. 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