同軸式電液比例流量閥特性研究

王潔，陳先惠，劉峰

(1. 沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110081;2. 上海寶鋼工業技術服務有限公司，上海201900)

電液比例控制閥(簡稱比例閥)可以通過改變輸入電信號的方法對液流參數進行連續控制，具有良好的靜動態性能，易于實現閉環控制，因而得到廣泛的應用。比例閥相當于用比例電磁鐵取代了普通開關型液壓閥的手動調節裝置或普通電磁鐵［1］，可以實現遠距離、高精度的連續控制。比例流量閥可以控制閥的輸出流量按比例連續地跟隨輸入信號的變化而變化。

流量閥是由減壓閥和節流閥組成，傳統流量閥的結構是先減壓后節流，減壓閥和節流閥在空間呈90°角，工藝性較差，溫度對流量穩定性影響較大［2］。同軸式電液比例流量閥采用先節流后減壓、節流閥與減壓閥同軸的結構，克服了傳統流量閥的不足，使其靜動態性能得到提高。

1 結構特點

圖1 為同軸式電液比例流量閥的結構原理簡圖，其結構特點為:

(1)采用了先節流后減壓的串聯結構型式，當調速閥的進出口壓差變化較大時，減壓閥產生的油液溫升不會影響經過節流閥的液流［3］，因此壓差變化引起的油溫變化對節流閥流量穩定性的影響減小。

(2)采用節流閥和減壓閥同軸式，結構簡單，工藝性好。

(3)在減壓閥的閥芯上開設了環形槽，使穩態液動力減小。

(4)節流閥閥口采用矩形窗口［4］，有效保證了閥的輸出流量與輸入電流的正比關系。

圖1 同軸式電液比例流量閥的結構原理簡圖

2 靜特性分析

符號說明:

Q1、Q2分別為通過節流閥、減壓閥的流量;

p1、p2、p3分別為閥的入口、減壓閥入口和閥的出口壓力;

ω1、ω2分別為節流閥、減壓閥的濕周長;

Cd、ρ 分別為流量系數和油液密度;

x、y 分別為節流閥和減壓閥的位移量;

K2、y0分別為減壓閥的彈簧剛度和預壓縮量;

A、Fs分別為減壓閥閥芯有效面積和穩態液動力［5］。

(1)節流閥流量方程:

(2)減壓閥流量方程:

(3)減壓閥受力平衡方程:

(p1- p2)A + Fs= K2(y0+ y)

實測靜特性曲線如圖2—4 所示。

圖2 比例流量閥的穩態控制特性曲線

圖3 比例流量閥的穩態負載特性曲線

圖4 比例流量閥的溫度特性曲線

實驗結果表明:線性度1.4%;輸出流量相對偏差最大為:2.53% /MPa;當溫度從15 ℃升到55 ℃時，流量變化為1 L/min。

3 動態特性分析

符號說明:

d0、l0、QD分別為阻尼孔的直徑、長度和流量;

V1、V3分別為節流閥處和敏感腔的容積;

p11為敏感腔內的壓力;

m1、m2分別為節流閥和減壓閥的閥芯質量;

B1、B2分別為節流閥和減壓閥的黏性阻尼系數;

Fi、T 分別為比例電磁鐵的電磁吸力和時間常數;

K1、x0分別為節流閥的彈簧剛度和預壓縮量;

μ、βe 分別為油液的動力黏度和彈性模量;

ui、Kf分別為比例放大器的輸入電壓和電壓增益。

(1)節流閥流量方程:

(2)節流閥閥芯的力平衡方程

(3)減壓閥流量方程:

(4)減壓閥閥芯的力平衡方程

(5)阻尼孔流量

(6)流量連續性方程

(7)比例鐵的動特性方程

將上面各式線性化并拉式變換得:

根據上面各式，得到方框圖如圖5。

經MATLAB 仿真［6－7］，結果表明:階躍響應的上升時間為75 ms，－3 dB 的頻寬為6 Hz。圖6 為實測階躍響應曲線，可見階躍響應的上升時間為80 ms，－3 dB 的頻寬為5.2 Hz。

圖6 實測階躍響應曲線

4 靜動態特性的改善

采用瞬態流量計［8］實現流量閉環反饋及前向通道PID 調節改善閥的靜動態特性，圖7 為比例流量閥的閉環控制框圖。實測靜動態特性曲線如圖3 和圖8所示。實測表明:輸出流量相對偏差最大為0.197% /MPa;階躍響應的上升時間為42 ms，－3 dB 的頻寬為12 Hz。

圖7 比例流量閥的閉環控制框圖

圖8 改善后實測階躍響應曲線

5 結論

(1)同軸式比例流量閥結構簡單合理，工藝性好，大大減少了溫度變化對流量變化的影響。

(2)該閥有較好的靜動態特性，而且通過采用流量閉環反饋及前向通道PID 調節，使閥的靜動態性能得到進一步提高。

(3)理論分析與實驗結果一致，為閥的優化設計提供了理論基礎。

［1］易孟林，曹樹平，劉銀水．電液控制技術［M］．武漢:華中科技大學出版社，2010．

［2］許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動［M］．北京:機械工業出版社，2008．

［3］李玉林．液壓元件與系統設計［M］．北京:北京航空航天大學出版社，1991．

［4］王潔，趙晶．液壓元件［M］．北京:機械工業出版社，2013．

［5］黃卉，程順．電液比例方向流量閥的特性分析及應用［J］．現代機械，2001(3):61－67．

［6］蘇金明，王永利．MATLAB 7.0 實用指南(上、下冊)［M］．北京:電子工業出版社，2004．

［7］陳超．MATLAB 應用實例精講［M］．北京:電子工業出版社，2013．

［8］王潔，陳先惠．瞬態流量計的研究［J］．機床與液壓，2004(1):124－125．