2D數字式電液比例換向閥動態特性實驗研究

， 　， ， 　， 　， 　， 希慶(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室， 浙江 杭州　310014)

引言

在液壓控制領域中，常常需要將控制信號成比例的轉換成位移或流量，驅動液壓執行機構的動作。電液比例閥是將輸入電信號成比例的轉換成輸出液壓的液動控制元件。為了提高系統的控制精度，電液比例閥需要有較好的靜態控制精度和動態響應特性[1]。但一般直動式電液比例閥控制大流量時，巨大的液動力會影響閥芯的線性運動，導致控制精度變差。為了消除液動力影響，提高液壓閥的過流能力，最根本的辦法是采用導控(先導控制)技術。早在1936年，美國工程師Harry Vickers為了解決因液動力影響直動溢流閥而無法實現高壓、大流量系統的壓力控制問題，發明了導控溢流閥，由導控閥控制主閥敏感腔的壓力變化，產生較大的液壓靜壓力驅動主閥芯運動，可實現大流量控制， 但其結構相對復雜，無法在零壓下工作[2]。

為此，本實驗室提出了2D電液比例換向閥，通過壓紐聯軸器將比例電磁鐵的直線運動轉化為軸向直動和繞軸旋轉運動，使其兼具直動和導控電液比例換向閥的優點。經研究表明，該閥具有良好的靜態性能，對其動態特性還需進一步實驗研究[3]。

現主要針對2D電液比例換向閥進行動態試驗研究。為了真實反映該閥的性能，專門開發一套基于DSP芯片的數字式閉環控制系統，避免因控制器因素影響對閥的測試結果。本研究對實驗結果進行深入分析，研究對該閥動態性能造成影響的因素，為該閥的進一步改進提供理論基礎。

1　2D電液比例換向閥結構及工作原理

2D電液比例換向閥由比例電磁鐵、壓-扭聯軸器和2D換向閥三者共軸連接而成，如圖1所示。比例電磁鐵作為比例閥的電-機械轉換部分，它將外部輸入信號成比例的轉化為閥芯推力，是組成比例閥的重要部分，比例電磁鐵在2D電液比例換向閥中并不直接推動閥芯運動，而是推動壓-扭聯軸器作直線運動，再由壓-扭聯軸器作用閥芯，實現閥芯直動和旋轉運動。壓-扭聯軸器由圖1中頂針1、銷軸2、軸承3、直線軸承4、對中彈簧5、滑楔8組成，比例電磁鐵推力直接作用頂針1上，繼而帶動滑楔8沿銷釘9做直線運動，在運動過程中滑楔8的斜面對軸承3作用一徑向力，軸承3通過銷軸2與閥芯6相連，實現閥芯的旋轉運動。2D換向閥由閥芯6、閥體7和端蓋10組成。壓-扭聯軸器用來將比例電磁鐵的直線位移轉化成2D換向閥閥芯的旋轉運動時，會引起高低壓孔(c、d、e、f)開口變化， 進而改變閥芯左、右兩腔(a、b)壓力以推動閥芯直線運動[4]。在移動的過程中閥芯受壓-扭聯軸器作用而反向轉動，閥兩端的敏感腔的壓力又逐漸恢復為相等的值，閥芯到達一個新的平衡位置，閥芯移動的位移與比例電磁鐵的推力成比例關系。我們利用閥芯的這種雙自由度運動導控主閥，克服液動力、摩擦力等非線性因素的不利影響，實現電液比例換向閥的功能。

2　2D電液比例比例換向閥閥芯運動過程受力分析

如圖2所示，當2D比例比例電磁閥的兩端沒有輸入信號時，滑楔向外推力所產生的彈簧Fs(左側和右側分別由下標“l”和“r”表示)通過滑楔與滑楔接觸的滾動軸承、銷軸傳至閥芯，由于斜面的作用，閥芯除承受軸向拉力Fs外，還承受切向力Ft的作用，同一端切向力大小相等、方向相反，可以構成一對力偶。兩端的滑楔對閥芯的軸向作用力和力偶方向相反，因而在平衡位置時，閥芯處于預拉與預扭的狀態。當2D比例換向閥某端的比例電磁鐵輸入信號時，比例電磁鐵推力使閥芯所受的原預拉預扭平衡被打破，閥芯轉動。在高壓力大流量的工況下，由于存在液動力和摩擦力無法直接驅動閥芯軸向運動[5]。但是，通過壓-扭聯軸器，使比例電磁鐵直線運動轉化為閥芯的旋轉運動，引起左右敏感腔壓力變化，放大軸向推力，閥芯足以克服摩擦力和液動力，按比例運動[4]。

閥芯在移動的同時也往回轉動，閥芯兩端敏感腔的壓力又重新恢復為穩態的平衡值，閥芯到達一個與比例電磁鐵推力大小對應的新平衡位置。此時閥芯受力平衡方程如式(1)：

式中：mt—— 折算到閥芯上的總質量

1.頂針　2.銷軸　3.軸承　4.直線軸承　5.對中彈簧　6.閥芯　7.閥體　8.滑楔　9.銷釘　10.端蓋a,b —— 敏感腔　c,e —— 低壓孔　d,f —— 高壓孔　g,h —— 感受通道

圖2　閥芯運動過程與受力分析圖

Be—— 總黏性系數

KL—— 彈性負載剛度

FL—— 外部負載力

需要特別指出的是，當閥的P口的壓力為零(與T口壓力相等)，此時，無法通過兩端敏感腔壓力的變化驅動閥芯軸向移動，但由于閥腔內無油液流動，閥芯不受液動力和卡緊力的作用[5]，因而，比例電磁鐵通電后所產生的軸向推力可以直接驅動閥芯運動，這時2D電液比例閥的工作原理與直動式比例閥一致。

因此，該閥同時具有直動閥和導控閥的功能于一體，既能在零壓或失壓的情況下像直動閥一樣工作，也能在高壓大流量的工況下像導控閥一樣工作，且結構簡單、體積小。

3　動態特性實驗研究

3.1　試驗平臺

2D電液比例換向閥的動態特性試驗測試平臺如圖3所示，測試系統主要由信號控制系統、液壓測試系統系統，信息采集系統組成。信號控制系統由信號發生器和比例控制器組成；動態特性測試由信號發生器輸出不同頻率的正弦信號，通過比例控制器轉換成電流信號，進而控制比例電磁鐵及比例閥動作。測試系統由標準液壓試驗平臺和被測2D電液比例換向閥(包括電機械轉換器)組成。信號采集系統由流量計、激光位移傳感器和記憶示波器組成[6]，激光位移傳感器型號為某單位生產的LK-G150，測量速度可達392 kHz，精度為±0.02%，重復性為0.01 μm。在上壓時，閥芯位移可以通過閥芯導桿導出，利用激光位移傳感器把閥芯位移信號輸入記憶示波器。由2D比例換向閥結構及工作原理可知，比例電磁鐵作為比例閥的電機械轉換器，其性能優劣對比例閥的性能會產生很大影響。本實驗所選的比例電磁鐵型號為“GP45-4-A”，額定電壓為10 V，額定電流為0.8 A，可以輸出80 N 的額定推力，行程可達3 mm。

圖3　2D電液比例換向閥測系統簡圖

3.2　比例閥動態特性試驗

1) 頻率特性

實驗時，信號發生器產生不同頻率的正弦信號，輸入數字式比例控制器。2D比例換向閥隨著控制信號正弦往復運動。在供油壓力為3 MPa和空載條件下，所測得2D比例換向閥對不同頻率正弦信號的響應如圖4所示。

從圖4中可以看出，2D比例換向閥對1～50 Hz的正弦信號具有良好的跟隨特性。

圖5為不同頻率下2D比例換向閥閥芯位移的頻率特性曲線。從圖5a幅頻特性曲線可知，幅值下降3 dB時，頻率可達18 Hz。根據5b相頻特性曲線可知，相位滯后90°時，頻率可達50 Hz。說明該比例閥具有非常好的動態特性，與國內同規格的各類換向閥相比具有較明顯的優勢。

2) 階躍響應

輸入信號為0.1 Hz的方波信號時，2D比例換向閥閥芯響應曲線如圖6所示。從圖中可看出，階躍響應時間約為55 ms，有較小的超調量，穩態誤差±1.5%,表明2D比例換向閥具有較高的響應速度及控制精度。

圖4　2D電液比例換向閥的頻率響應

4　結論

(1) 2D數字式電液比例換向閥具有良好的動態跟隨特性，在幅值下降3 dB，相位滯后90°時，頻響可達18 Hz，與國內同規格的各類換向閥相比具有較明顯的優勢；

圖5　頻率特性曲線

圖6　階躍響應曲線

(2) 在頻率較低時，由于摩擦力影響，在峰值時會出現“飽和”現象，在輸出信號上疊加一定幅值頻率的顫振信號，就可以消除“飽和”現象；

(3) 比例電磁鐵作為電機械轉換部分，比例電磁鐵的動態性能直接影響閥的動態性能，對2D比例閥的具體影響還有待研究。

參考文獻：

[1]姚蘅,王濤,等.帶有高速開關閥的先導式電/氣比例閥仿真分析[A]. 第六屆全國流體傳動與控制學術會議[C].蘭州：中國機械工程學會流體傳動與控制分會，2010.

[2]路甬祥,胡大纮.電液比例控制技術[M].北京：機械工業出版社,1988.

[3]勵偉,阮鍵，等.三位四通2D電液比例換向閥的靜態特性試驗研究[J].液壓與氣動，2013，(12)：124-127.

[4]阮鍵.電液(氣)直接數字控制技術[M].杭州：浙江大學出版社,2000.

[5]吳根茂,邱敏秀,王慶豐,等.實用電液比例技術[M].杭州：浙江大學出版社,2006.

[6]洛涵秀,李世倫,朱捷,等.機電控制[M].杭州：浙江大學出版社,2003.