2D氣動高速開關(guān)閥介紹與動態(tài)特性實驗研究及結(jié)論

2021-12-22 09:22:43 51

2D氣動高速開關(guān)閥介紹與動態(tài)特性實驗研究及結(jié)論

0 引言

脈寬調(diào)制在流體動力系統(tǒng)應(yīng)用的基本思想就是利用高速開關(guān)元件

，通過控制其開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)的不同，從而控制閥口開度的時間平均值。對于流體控制系統(tǒng)

，一般對其響應(yīng)速度皆有一定的要求，因而在工作過程中調(diào)制頻率應(yīng)盡可能地高，即要求閥的開關(guān)時間很短

。

此外

，工程中的快速動作機構(gòu)（如機車緊

、電路快速切斷開關(guān)等）的主要特點是瞬時釋放出大功率的能量：它們常用的驅(qū)動方式有直接電磁驅(qū)動、液壓和氣動三種方式

。其性能對照見表 1。從表中可以清楚看出

，液壓或氣動系統(tǒng)瞬時釋放大功率的特性遠(yuǎn)優(yōu)于電磁驅(qū)動的方式

。而液壓或氣動系統(tǒng)能量釋放是由開關(guān)閥實現(xiàn)的

，為了實現(xiàn)快速性

，關(guān)鍵是提高閥的開關(guān)速度。

表 1 三種驅(qū)動元件快速性的對照

技術(shù)特性	類別
技術(shù)特性	直流電磁鐵	油缸	氣缸
單位面積作用力	小于 0.3MPa	6~32MPa	0.6~0.8MPa
最高運行速度	小于 3m/s	5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s	音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
剎車緩沖特性	差	一般	較好
維護	容易	較難	容易
造價	造價與功率大小呈直線上升	較高	較低
輔助設(shè)備	直流電源	油源	氣源
實用瞬間功率	0~幾十瓦	0~20 千瓦	0~18 千瓦
作為快速驅(qū)動元件的適用范圍	用于機-電轉(zhuǎn)換的光導(dǎo)級、低功率漏電開關(guān)	工程車輛的車閘	適用于各種機械安全防護裝置、車閘

本文提出一種采用雙自由度閥芯構(gòu)成的雙級氣動高速開關(guān)閥，在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上

，對其動態(tài)特性進(jìn)行實驗研究

。

1 氣動高速開關(guān)閥

2D氣動高速開關(guān)閥采用雙自由度的設(shè)計思想

，將導(dǎo)閥與主閥做在一個閥芯上

，導(dǎo)閥由閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)其功能

，主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動控制，其基本結(jié)構(gòu)見圖 1：

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圖 1 2D 氣動高速開關(guān)閥

閥芯的右腔為敏感腔

，在閥芯的右端臺肩上開設(shè)有 a

、b 口

，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通

；在閥座孔右端經(jīng)通道 c 與敏感腔相通

；閥左腔經(jīng)通道 d 與 PL 相通

；當(dāng)力矩馬達(dá)驅(qū)動閥芯轉(zhuǎn)動

，使 a 與 c 通時，則敏感腔處于高壓狀態(tài)

，這時閥芯將在壓力推動下左移

，使 Po 與 PL 溝通

；當(dāng) b 與 c 口溝通時，敏感腔處于低壓

，閥芯右移

，PL 與 Pa 溝通

，閥芯是細(xì)長狀的

，轉(zhuǎn)動慣量較小，容易實現(xiàn)快速擺動。該閥為一

，若閥芯中間的臺肩寬度大于閥孔環(huán)形槽的寬度

，則該閥為二通型

。這種結(jié)構(gòu)的閥實際上為二級結(jié)構(gòu)

，PL 口可以有較大的流量輸出

，若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號

。為了保證閥所受的徑向力平衡

，a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱的結(jié)構(gòu)

。

閥芯的旋轉(zhuǎn)運動由力矩馬達(dá)驅(qū)動。力矩馬達(dá)主要由銜鐵

、導(dǎo)磁體及磁鋼構(gòu)成

，具有雙穩(wěn)記憶功能

，其工作原理如下：銜鐵與導(dǎo)磁體處于正常的工作位置時

，形成四個工作系隙

，銜鐵上有一激磁線圈

。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場

，而當(dāng)激磁線圈通電時，則產(chǎn)生兩個環(huán)狀的封閉的磁場

，該磁場將使兩個對角處的系隙的永磁體的磁場分別得以加強和削弱

，其結(jié)果使銜鐵快速擺動

。當(dāng)銜鐵的端部到達(dá)閉合位置時

，線圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下

，其位置保持不變

。這便使得該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能

。當(dāng)線圈通以相反方向的脈沖電流時

，則銜鐵反向擺動

。由于該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能，可由強電流脈沖驅(qū)動

，因而可確保其快速響應(yīng)特性。

2 實驗研究

2D氣動高速開關(guān)閥介紹與動態(tài)特性實驗研究及結(jié)論將力矩馬達(dá)與閥體相聯(lián)構(gòu)成雙級高速開關(guān)閥

，采用電渦流傳感器測量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm

；用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形

，實測的波形見圖 2。顯而易見

，閥芯與電磁鐵相聯(lián)后

，銜鐵的動作時間要略為多一些

，但由于該閥芯的轉(zhuǎn)動慣量僅為銜鐵轉(zhuǎn)動慣量的 1/3，所以動作時間的增加并不多

。相聯(lián)后實測得力馬達(dá)最大響應(yīng)脈沖信號頻率為 190Hz（驅(qū)動電壓 30V）

。

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圖 2 2D 雙級高速開關(guān)閥的試驗結(jié)果

表 2 給出閥動作時間與力馬達(dá)初始系隙之間的關(guān)系（壓力為 0.8MPa）：從表中可以看出當(dāng) θ0 為 0.2 度左右時

，閥的動作時間最短

。當(dāng)系隙增大時，馬達(dá)的動作時間增大

；當(dāng)系隙減小時

，導(dǎo)閥開度較小

，推動閥芯運動的供氣不足

，這兩種因素皆使閥動作時間增大

。

表 2 力馬達(dá)系隙與閥動作時間的關(guān)系

θ0	0.6	0.4	0.2	0.1	0.05
tr (ms)	1.87	1.36	1.12	1.29	1.37

圖 3 給出了供氣壓力與閥動作時間的關(guān)系

，它們之間近似呈二次曲線的變化規(guī)律。

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圖 3 閥動作時間與供氣壓力的關(guān)系

3 結(jié)論

將雙自由度的閥芯運用于氣動高速開關(guān)閥的設(shè)計是成功的

，它既適用于小通徑也適用于較大通徑

。調(diào)整力矩馬達(dá)的調(diào)隙螺釘可改變導(dǎo)閥（旋轉(zhuǎn)自由度）開啟面積大小

。改變閥芯中央臺肩的寬度變化

，可使閥成為二通型或三通型。

閥門的通徑為 φ6

，閥門的開關(guān)時間為 1.3ms 左右

。導(dǎo)閥的開關(guān)時間隨系隙調(diào)整螺釘?shù)母淖兌兓?div id="d48novz" class="flower left">

，即調(diào)整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時間。對導(dǎo)閥而言

，行程越小則開關(guān)時間越短，然而對主閥卻不是這樣的

，只有當(dāng)銜鐵的行程達(dá)到某一值時

，主閥的開啟時間最短

。在機械加工精度保證的前提下，增大導(dǎo)閥的面積梯度

，減小行程

，可縮小閥的開關(guān)時間。

該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅(qū)動

。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達(dá)輸出的機械功皆用于驅(qū)動閥芯

，毋需克服彈簧力，從而使閥芯運動時間較短

。另一方面采用瞬間通電，較大的瞬間電流使閥芯快速動作

，又不會引起馬達(dá)線圈發(fā)熱過劇而燒壞

。由于機構(gòu)中沒有彈簧，從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題

，這一點對脈寬調(diào)制狀態(tài)下工作的閥尤為重要

。

綜上所述

，將雙自由度的原理運用于高速氣動開關(guān)閥的設(shè)計是成功的

，所設(shè)計的高速開關(guān)元件具有良好的性能

，這種性能還可隨加工精度的提高而得到進(jìn)一步提高

。

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