六通徑工業(yè)2D伺服閥的動態(tài)特性研究

傅瑩龍

摘? 要：針對工業(yè)2D伺服閥動態(tài)特性可能存在的不穩(wěn)定問題，分析了工業(yè)2D伺服閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及抗污染能力。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了測試實(shí)驗(yàn)平臺，在額定壓力21MPa時(shí)，對3只額定流量為50L/min的通徑6mm的工業(yè)2D伺服閥進(jìn)行了動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：3只工業(yè)2D伺服閥在-3dB處幅頻寬至少可達(dá)73Hz（25%額定流量），階躍響應(yīng)上升時(shí)間至少可達(dá)10ms;3只6mm通徑工業(yè)2D伺服閥均具有較理想的動態(tài)特性，不存在動態(tài)特性不穩(wěn)定的問題。

關(guān)鍵詞：工業(yè)2D伺服閥;動態(tài)特性;實(shí)驗(yàn)研究

0? 引言

電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號（流量和壓力）輸出[1]。

工業(yè)2D伺服閥有著結(jié)構(gòu)簡單，原理先進(jìn)，性能優(yōu)越和抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文對正開口工業(yè)2D伺服閥的動態(tài)特性和頻率特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，具有極大的研究和實(shí)用價(jià)值。

1 工業(yè)2D伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理

工業(yè)2D伺服閥將導(dǎo)閥和主閥融為一體，通過雙自由的伺服螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)位置反饋，無需任何固定阻力小孔來保證其穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)簡單且加工方便，如圖1。為保持閥芯的徑向力平衡，閥套采用具有雙自由度控制功能的雙伺服螺旋機(jī)構(gòu)。雙伺服螺旋機(jī)構(gòu)具有良好的自清潔功能（過濾精度達(dá)在30微米以下），例如：一旦某一側(cè)的高壓（或低壓）弓形孔堵塞，閥芯的力平衡將受到破壞而軸向移動，從而增大堵塞弓形孔的面積清除堵塞物。且閥芯最小孔徑為2mm，被堵塞的可能性極小。閥芯將原來的圓形高低壓口，改成滿弓形（通過電火花加工），將弓弦對準(zhǔn)螺旋槽，以加大面積梯度[2-3]。

工業(yè)2D伺服閥利用單個(gè)閥芯的旋轉(zhuǎn)和滑動雙自由度構(gòu)成（如圖2）。在該結(jié)構(gòu)中，閥右腔通過小孔b，經(jīng)閥芯桿內(nèi)通道和小孔a與進(jìn)油口（系統(tǒng)壓力）相通，其面積為左腔的一半;左腔的壓力由開設(shè)在閥芯左端臺肩上的一對高低壓孔和開設(shè)于閥芯孔左端的螺旋槽相交的兩個(gè)微小弓形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制。在靜態(tài)時(shí)若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響，左敏感腔壓力為入口壓力（系統(tǒng)壓力）的一半，閥芯軸向保持靜壓平衡，與螺旋槽相交的高低壓側(cè)的弓形面積相等。當(dāng)以順時(shí)針（面對閥芯伸出桿）的方向轉(zhuǎn)動閥芯，則高壓側(cè)的弓形面積增大、低壓側(cè)的弓形面積減小，左腔壓力升高，并推動閥芯右移，同時(shí)高低壓孔又回到螺旋槽的兩側(cè)，處于高低壓側(cè)弓形面積相等的位置，敏腔的壓力恢復(fù)為入口壓力（系統(tǒng)壓力）的一半，保持軸向力平衡;若逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動閥芯，變化則正好相反，閥芯向左移動。

在2D伺服閥中，閥芯角位移與軸向位移之間的轉(zhuǎn)換運(yùn)動與普通的機(jī)械螺旋機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動相一致，不同之處在于閥芯的軸向運(yùn)動由液壓靜壓力驅(qū)動的，因此實(shí)現(xiàn)工業(yè)2D伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向位移（主閥開口）轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)也稱為液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出2D伺服閥為雙級位置反饋液壓流量伺服閥。

2 動態(tài)特性測試原理

液壓系統(tǒng)原理見圖3。工業(yè)2D伺服閥的動態(tài)特性通常用它的階躍響應(yīng)特性或頻率特性來表示。測試所使用的流量計(jì)型號為VS4，其測量量程為300L/min，精度為0.3%，重復(fù)精度為±0.05%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，信號發(fā)生器發(fā)出滿開口幅值（±4V）的低頻（0.02Hz）正弦信號，該信號一方面送給2D伺服閥控制器，另一方面送給記憶示波器。

3? 動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)測試

3.1 階躍響應(yīng)特性

系統(tǒng)調(diào)零后，關(guān)閉1號，2號，3號截止閥，打開4號，5號截止閥，輸入幅值4v的階躍信號，使閥芯為滿開口，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力為21MPa ，待示波器出現(xiàn)穩(wěn)定的流量信號，保存流量信號和輸入控制信號，處理數(shù)據(jù)得階躍響應(yīng)特性，6mm工業(yè)2D伺服閥的階躍響應(yīng)時(shí)間為10ms。

3.2 頻率特性

系統(tǒng)調(diào)零后，關(guān)閉1號，2號，3號截止閥，打開4號，5號截止閥，輸入幅值1v，頻率為1Hz的正弦信號，使閥芯25%開口，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力為21MPa ，待示波器出現(xiàn)穩(wěn)定的流量信號，保存流量信號和輸入控制信號。再依次改變頻率為10Hz，20Hz，40Hz，50Hz，80Hz，或更大頻率，至輸出流量信號滯后輸入信號90度。保存所有數(shù)據(jù)后處理得到頻率特性。該組工業(yè)2D伺服閥在-3dB處幅頻寬可達(dá)73Hz（25%額定流量），具有理想的動態(tài)特性和良好的加工一致性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春行. 液壓控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.5

[2]周曲珠.圖解液壓與氣動技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010

[3]阮健.電液（氣）直接數(shù)字控制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社， 2000.

基金項(xiàng)目：2021年臺州市工業(yè)類科技計(jì)劃項(xiàng)（21gyb37）