楊樹(shù)軍，王楠，王青

(燕山大學(xué)車(chē)輛與能源學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 前言

高速開(kāi)關(guān)閥是一種新型的數(shù)字式電液轉(zhuǎn)換控制元件，采用脈沖流量控制方式，直接根據(jù)一系列脈沖電信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作［1］，具有可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)、對(duì)電子控制回路要求低等特點(diǎn)［2－6］。高速開(kāi)關(guān)閥主要有錐閥式和球閥式兩種，球閥式高速開(kāi)關(guān)閥由于其密封性好、反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好而得到普遍應(yīng)用［7］。在新型氣動(dòng)元件電－氣比例調(diào)壓閥、風(fēng)力機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的數(shù)字式變量泵以及車(chē)輛換擋品質(zhì)的改善方面均用高速開(kāi)關(guān)閥進(jìn)行控制［8－11］。目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、冶金、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械等重要領(lǐng)域。例如用高速開(kāi)關(guān)閥取代傳統(tǒng)的電液比例閥，與多路閥構(gòu)成數(shù)字電液比例換向閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝載機(jī)的數(shù)字化電液比例控制［12－15］。文中對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥靜態(tài)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了系統(tǒng)壓力、控制信號(hào)頻率等因素對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥流量的影響規(guī)律。

1 高速開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為某二位二通常閉型高速開(kāi)關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥線(xiàn)圈通電時(shí)，銜鐵1在電磁力的作用下，克服彈簧力、摩擦力和液動(dòng)力，推動(dòng)頂桿6帶動(dòng)供油球閥7向右運(yùn)動(dòng)，從而使閥口打開(kāi);當(dāng)線(xiàn)圈斷電時(shí)，供油球閥在液動(dòng)力和彈簧力的共同作用下向左運(yùn)動(dòng)，最終壓緊在供油球閥密封座上，閥口關(guān)閉。利用單片機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的脈寬調(diào)制 (PWM)信號(hào)來(lái)控制高速開(kāi)關(guān)閥通斷，當(dāng)信號(hào)頻率一定時(shí)，通過(guò)信號(hào)的占空比變化改變閥開(kāi)啟、關(guān)閉的時(shí)間。

圖1 高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 高速開(kāi)關(guān)閥流量特性試驗(yàn)

高速開(kāi)關(guān)閥的流量特性是高速開(kāi)關(guān)閥的重要靜態(tài)特性之一，可以反映閥對(duì)系統(tǒng)壓力的控制能力。圖2是高速開(kāi)關(guān)閥流量特性的試驗(yàn)臺(tái)原理圖。通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制輸入流量的大小;單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同頻率的PWM信號(hào)控制高速開(kāi)關(guān)閥的啟閉;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)壓力、流量傳感器采集高速開(kāi)關(guān)閥壓力、流量參數(shù)。試驗(yàn)臺(tái)所用設(shè)備及型號(hào)見(jiàn)表1。

圖2 高速開(kāi)關(guān)閥空載流量特性實(shí)驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)圖

表1 試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 壓力對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥流量特性的影響

選取工作頻率為25、50 Hz，開(kāi)展不同壓力下流量隨占空比的變化規(guī)律試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3(a)為工作頻率25 Hz、系統(tǒng)壓力分別為1.6、1.0 MPa時(shí)，流量與占空比的變化曲線(xiàn);圖3(b)為工作頻率40 Hz時(shí)的試驗(yàn)曲線(xiàn)。

由圖3(a)可得:壓力為1.6 MPa、工作頻率為25 Hz、占空比在20%～80%期間，流量特性線(xiàn)性度為7.4%;壓力為1.0 MPa、工作頻率為25 Hz、占空比在20%～80%期間，流量特性線(xiàn)性度為4.8%。試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)流量與壓力的大小成正比;(2)占空比、信號(hào)頻率一定時(shí)，壓力與流量的線(xiàn)性度成正比。

圖3 不同壓力下流量占空比變化曲線(xiàn)

3.2 頻率對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥流量特性的影響

在高速開(kāi)關(guān)閥的有效工作頻率范圍內(nèi)，選擇25、40、50 Hz 3種脈寬調(diào)制頻率開(kāi)展高速開(kāi)關(guān)閥流量Q隨占空比τ變化規(guī)律的試驗(yàn)。圖4是最大壓力為1.6 MPa時(shí)，高速開(kāi)關(guān)閥的流量隨占空比變化的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖4 不同工作頻率下流量占空比關(guān)系試驗(yàn)曲線(xiàn)

由圖可得:(1)不同工作頻率下，相同占空比的流量變化很小，最大偏差為0.067 L/min，頻率對(duì)流量的影響很小，在占空比為20%～80%時(shí)，影響更小。(2)在工作頻率為25 Hz、占空比為5%時(shí)，油液流量為0.073 L/min，高速開(kāi)關(guān)閥基本沒(méi)有死區(qū);而工作頻率為50 Hz、占空比為5%時(shí)，油液流量為基本為0。由此可見(jiàn)高速開(kāi)關(guān)閥的響應(yīng)特性與控制信號(hào)的頻率密切相關(guān)，頻率越高，一個(gè)脈寬周期內(nèi)通斷電時(shí)間越短，閥的死區(qū)及飽和區(qū)越大。(3)工作頻率分別為25、40、50 Hz時(shí)，流量隨占空比變化曲線(xiàn)的線(xiàn)性度依次是7.4%、8.35%、8.8%，即工作頻率與曲線(xiàn)的線(xiàn)性度成正比。

3.3 高速開(kāi)關(guān)閥等效流通面積的確定

高速開(kāi)關(guān)閥是一種小巧精密的元件，在做仿真模擬時(shí)需要閥的一些具體尺寸，很重要的一個(gè)參數(shù)是閥的等效流通面積A。高速開(kāi)關(guān)閥平均流量公式為:

式中:Cd為流量系數(shù);A為高速開(kāi)關(guān)閥流通面積，mm2;ρ為液壓油密度，kg/m3;Δp為高速開(kāi)關(guān)閥前后壓差，MPa;τ為占空比。

由高速開(kāi)關(guān)閥平均流量公式 (1)可以得出

圖5為高速開(kāi)關(guān)閥閥口全開(kāi)即占空比為100%、信號(hào)頻率為25 Hz時(shí)，流量與壓力的變化曲線(xiàn)。在系統(tǒng)壓力為0.7～1.6 MPa時(shí)，流量隨壓力基本成線(xiàn)性變化。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)值得到/Δp隨系統(tǒng)壓力的變化曲線(xiàn)，如圖6所示。由圖可知/Δp值基本是一個(gè)定值0.625，這對(duì)于高速開(kāi)關(guān)閥等效流通面積的確定提供了重要依據(jù)。代入公式 (1)，得到Cd·A=0.3 mm2。

圖5 頻率一定時(shí)流量隨壓力變化曲線(xiàn)

圖6 不同壓力時(shí)Q2/Δp值

4 結(jié)論

文中開(kāi)展了某常閉型二位二通高速開(kāi)關(guān)閥流量特性的試驗(yàn)研究，通過(guò)不同參數(shù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:(1)其他條件一定時(shí)，高速開(kāi)關(guān)閥流量與壓力的大小成正比;(2)高速開(kāi)關(guān)閥流量的線(xiàn)性度與壓力大小成正比;(3)控制信號(hào)頻率對(duì)流量影響很小，但閥的線(xiàn)性度隨頻率的增加而增大;(4)信號(hào)頻率越高，閥的死區(qū)、飽和區(qū)范圍越大;當(dāng)高速開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)的占空比一定時(shí)，流量隨壓力的增加而增大;(5)通過(guò)試驗(yàn)反向測(cè)得高速開(kāi)關(guān)閥等效流通面積，方便仿真、研究使用。

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