一種電比例控制位移-流量反饋式控制閥

徐 赟， 霍志亮， 錢 軍

（西派格電液科技有限公司， 江蘇南通 226000）

0 引言

流量控制閥作為一種液壓控制元件，在液壓系統中主要用來控制系統流量，以便控制液壓缸、液壓馬達的運動速度。在工程機械和運輸機械中，流量控制閥通常作為平衡閥使用，通過調節流量控制閥的特性來控制負載運動[1-2]。陸亮等[3]，建立了二級阻尼先導反饋式流量控制平衡閥的數學

模型，對其動態性能的優劣進行了分析與研究；邵明璽、張秀梅[4]，基于先導式溢流閥原理，設計了一款先導閥芯與主閥芯同軸配合的電比例控制流量閥，利用MATLAB進行了建模仿真分析；權龍，李風蘭[5]，詳細介紹了Valvistor閥的工作原理，分析了這種閥在工程機械中的應用，及其分別作為節流閥、調速閥和溢流閥的靜態和動態特性。

電比例控制流量閥作為液壓系統的核心元件， 可根據輸入信號，連續調節流量、壓力等參數，廣泛應用于重型機械裝備中。本文作者以流量控制閥為研究對象，對于流量控制閥穩定性差、流量變化大、易泄露的問題，設計了一種電比例控制位移-流量反饋式控制閥，其使用比例電磁鐵控制先導閥芯，從而間接控制主閥芯的開啟、關閉和閥芯位置，通過主閥芯節流面積的變化，實現液壓系統回路的調速功能。 綜合閥的結構設計和控制原理，建立其數字仿真模型，對其進行仿真和分析。

1 流量控制閥的設計原理

電比例控制位移-流量反饋式控制閥被設計成二通插裝閥的形式，它包括閥套、主閥芯、主閥彈簧、先導閥體、先導閥芯、先導閥彈簧、控制蓋板、比例電磁鐵、 電磁線圈、 控制器等組成。 電比例控制位移-流量反饋式控制閥總體結構示意圖如圖1 所示。

圖1 電比例控制位移-流量反饋式控制閥示意圖

1.1 控制閥閥體結構及其原理

電比例控制位移-流量反饋式控制閥閥體結構及面積定義如圖2 所示。 該控制閥閥機能為二位二通，2 口為負載控制口連接執行器油口，1 口為進、出油口連接壓力油源或油箱。 控制閥主閥芯，使用多重矩形口設計，將其安裝在閥套中，閥芯與閥套配合調節液壓系統流量。靜態時，比例電磁鐵輸入信號為零，油液壓力作用在面積A1的1 口， 由于主閥芯彈簧剛度軟， 1 口往2 口的壓力油可以自由流動， 壓力油進入執行器帶動負載運動； 油液壓力作用在面A2-A1 的2口， 壓力油經過主閥芯上油槽a 和節流槽b 作用在控制油腔PC 中， 即壓力作用在面積A2上， 由于面積A2 上的作用力大于面積A2-A1 上的作用力，2 口往1 口的油液無法自由流動，執行器中的油液不能回油箱，負載處于靜止狀態，此時控制閥只能單向流動，起到單向閥作用。 工作時，比例電磁鐵接受到外部輸入信號，油液壓力作用在面積A1 的1 口，此時從1 口到2 口的壓力油依舊保持自由流動；油液壓力作用在面A2-A1 的2 口，壓力油經過主閥芯上油槽a 和節流槽b 作用在控制油腔PC 中，控制油腔PC 的壓力油液經過阻尼1、先導閥芯流道孔到達控制油腔PD，此時比例電磁鐵推桿的推力和作用在同心圓環面A4-A3 的液壓力與先導閥彈簧力達到平衡狀態，先導閥芯被打開同時穩定在先導閥體中某一位置，先導閥芯上節流槽d 與先導閥體之間形成可調液阻， 先導閥芯停留在不同的位置，可調液阻的阻力就不同，從而控制油腔PD 的油液經過節流槽d 產生的壓降笇P 就不同，進而引起控制油腔PC 的壓力變化，作用在面積A2 上的作用力和主閥芯彈簧力與作用在面積A2-A1 的作用力達到平衡狀態，主閥芯打開，油液從2 口往1 口流動，執行器中的油液流回油箱，負載在受控狀態下運動。

圖2 控制閥閥體結構及面積定義

1.2 控制閥液壓橋路原理

我們把液阻視為阻力控制的基本單元， 類比于電子技術， 可以把收縮截面的阻力看作壓差變化與相對流量變化的比值[6]。通過調整液流阻力是實現流量控制的一種方法，由控制閥閥體結構原理可知，該電比例控制位移-流量反饋式控制閥在主閥芯和先導閥芯設計為棱邊型，當閥芯移動時，不僅形成可調液阻，而且較好的應用了棱邊型阻力不依賴油液黏度和其相關溫度的特點， 對控制閥液阻控制更加有利，提高了控制閥的穩定性和可控性。電比例控制位移-流量反饋式控制閥可以看作是由多個不同形式的液阻，組成的液壓橋路，主要包括固定液阻和可調液阻。根據前述控制閥閥閥體結構及其原理，以先導壓力控制的、 在先導閥及其附加液阻和主閥及其附加液阻構成的位移-流量雙反饋原理補償，以及多個容積串聯構成一個較復雜的液壓橋路， 構成的完整的電比例控制位移-流量反饋式控制閥的液壓橋路如圖3 所示。

圖3 控制閥液壓橋路原理圖

2 建立流量控制閥仿真模型

AMESim 軟件為多元化的物理仿真平臺， 普遍應用在電力電子、液壓與氣動、機械設計等仿真分析中。 本文使用AMESim 軟件中的信號庫、電磁庫、液壓庫的元件建立電比例控制位移-流量反饋式控制閥的仿真模型，依據控制閥的設計參數， 為閥體模型和比例電磁鐵模型輸入實際參數值， 使仿真模型更加逼近實際控制閥的靜態和動態特性。

2.1 建立比例電磁鐵模型

比例電磁鐵是電子技術和比例液壓技術的銜接環節。 其和開關電磁鐵不同，是一種直流行程式電磁鐵，它產生與輸入電流量成正比的力和位移。 在該電比例控制位移-流量反饋式控制閥中使用力調節型電磁鐵，在銜鐵行程沒有明顯變化時， 通過改變電流來調節其輸出電磁力。比例電磁鐵想要達到比例控制的效果，重點是要保證電磁力及反作用力的相互匹配[7]。

2.2 建立電比例控制位移-流量反饋式控制閥模型

建模分析第一步，分析壓力作用面，由第一小節可知流量控制閥壓力作用面分別在主閥芯和先導閥芯上，共有6 個壓力作用面；建模分析第二部，分析可移動部件，由控制閥閥體結構可知， 模型中有兩個可以獨立運動的部件，分別為主閥芯和先導閥芯，且兩閥芯共軸；建模分析第三步，分析節流形式，由控制閥液壓橋路可知，模型由多個液壓半橋組成， 且一些液壓半橋與閥芯組成了可調液阻；建模分析第四步，分析可變容積，在本模型中顯然包含兩個可變容積，分別為容積PC 和容積PD。根據上述分析， 在AMESim 仿真軟件使用液壓元件設計庫設計該控制閥一維平面模型，如圖4 所示。

圖4 電比例控制位移-流量反饋式控制閥一維平面模型圖

在控制閥的分析模型中分別搭建了主閥、 先導閥和比例電磁鐵各部分，組合成完整的物理模型，為后續仿真分析做好準備。 其中主要設計參數，如表1 所示。

表1 流量控制閥模型主要設計參數

3 流量控制閥的仿真分析

仿真模型搭建好后，在計算機中設定設計好的模型參數，使參與分析的模型更加接近實際原理樣機，為分析做好準備。 設定比例電磁閥的輸入電信號分別為15%、30%、45%、60%、75%和90%，流量控制閥的負載2 口的壓力為5MPa 到30MPa。主閥芯輸出流量結果如圖5 所示。

圖5 電比例控制位移-流量反饋式控制閥輸出流量圖

由圖5 分析可知， 電比例控制位移-流量反饋式控制閥在輸入電信號恒定時，即輸入力不變，流量閥可以很好的控制輸出液壓油的流量，且沒有大的流量階躍和變化，即對負載的變化不敏感。

進一步分析，先導閥芯和主閥芯的位移結果如圖6 和圖7 所示。

圖6 主閥芯位移

圖7 先導閥芯位移

由圖6 和圖7 分析可知，電比例控制位移-流量反饋式控制閥主閥芯控制流量輸出與其在閥套中的位移成拋物線關系，主閥芯的位移與先導閥芯的位移成線性關系，即閥芯控制穩定性較好。

4 結論

本文闡述了電比例控制位移-流量反饋式控制閥的閥體結構設計和其液壓橋路原理， 通過計算機搭建控制閥的原理樣機模型，進行動態仿真分析，分析結果表明，該結構設計流量控制閥對系統負載變化不敏感， 可以較好適應負載變化，且穩定性和可控性較好。