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  • 高速开关阀特性试验研究
    发布日期:2016-1-19


    进口电动调节阀摘 要:高速开关阀作为实现电液数字控制技术的关键元件,其工作特性关系到整个系统的工作性能。对目前国内普遍使用的HSV高速开关阀进行了试验研究,分析了卸荷电路、载波频率、供油压力等对高速开关阀动静态特性的影响。结果表明:该阀具有较快的开关响应和良好的线性控制范围。

    关键字:高速开关阀 特性 试验研究


    引言

    随着计算机技术的充分发展和应用,电液数字控制技术已成为实现机电液一体化的重要手段,是实现对液压系统进行高速、高精度控制的理想方法,目前已应用于汽车、航空航天、冶金、工程机械等重要领域。高速开关阀由于价格低廉、抗污染能力强、节流损失小及重复性好等优点,成为实现电液数字控制技术的关键元件。由于自身结构的限制,空载流量不超过10L/min,目前只用于小流量控制。基于高速开关阀各种先导控制,正在不断改进现有装备或设计新设备。

    对HSSV高速开关阀的压力特性进行了理论和实验研究;李玉贵等对HSV高速开关阀进行了动静态特性理论分析和空载压力特性实验研究;苏明在AMESim中建立了HSV高速开关阀模型,对动静态特性进行仿真研究,并且设计了适应供油口压力变化控制器;傅林坚提出预充开启电流、反接卸荷电路思想来提高动态响应,并设计了专用测试装置;设计了三电源驱动电路改进高速开关阀的开关响应。

    考虑高电压对高速开关阀的伤害,采用单电源24V供电,高低双电压驱动,以单片机为控制核心建立了高速开关阀测试平台,对其进行测试试验,并详细分析了主要影响因素对动静态特性的影响。

    1 高速开关阀工作原理

    如图1所示为HSV3143S3二位三通高速开关阀结构简图,由电磁铁、供油球阀、回油球阀、球阀阀座、分离销等组成。与普通开关阀相比,高速开关阀的主要优点在对于控制信号的快速响应。通过给线圈加脉宽调制(PWM)信号,就能够控制阀芯的运动方向和开关频率,从而达到控制口(A)与供油口(P)及回油口(T)之间交替切换。当A与P接通时,P工作油液经A和工作管路到达执行装置;当A与T接通时,执行装置的油液经A、T流到油箱。由于载波频率很小,可控脉宽非常小,输出流量也很小,因此,可用平均流量代表阀的瞬态流量。在一个载波周期T内的平均流量Q为:

    Q=DQmax        即:Q/Qmax=D    (1)

    式中:D为占空比,D=TP/T;TP为脉冲宽度;T为载波周期;Qmax为通过高速开关阀的最大流量。

    1.电磁铁2.回油球阀3.球阀阀座4.分离销5.供油球阀

    图1 HSV高速开关阀结构简图

    2 高速开关阀测试试验平台

    为测试高速开关阀的动静态特性,建立了如图2的测试系统。主要包括:计算机、单片机、驱动控制器、液压系统、压力传感器、流量传感器、数据采集设备等。被测高速开关阀、压力传感器安装在专门设计的阀块上,控制腔通过软管接回油箱。高速开关阀供油口、控制口分别接压力传感器,用于检测压力变化。在回油管路上串联流量传感器,用于检测通过高速开关阀的流量。

    1.液压泵站2.流量传感器3、5.压力传感器4.被测高速开关阀

    图2 测试系统原理图

    工作时,由计算机通过串口传输控制参数给单片机,单片机根据得到的PWM参数产生相应的PWM波,经驱动控制器产生高低双电流,经达林顿管放大,控制高速开关阀动作。工作过程中,利用霍尔电流传感器、压力传感器、流量传感器检测工作状态,同时送由数据采集仪在线采集、离线分析。由于数据采集仪最大电压值不超过10V,另选择UTD2202数字存储示波器采集阀的控制脉冲和激励电压。

    3 高速开关阀动态特性试验研究

    由于高速开关阀阀芯质量轻、阀芯位移小,安装位移传感器会影响其动态特性,利用阀芯运动时引起电流、电压信号变化转折点作为阀芯开关标志。

    图3为在试验过程中测得的电磁阀控制脉冲、电磁阀激励电压和励磁电流信号。控制信号接通时,在高激励电压作用下,线圈励磁电流指数增长,当电磁推力足以克服阻力推动阀芯运动时,电流信号出现明显转折点A,阀芯到位时,转折点B,完成开启动作,对应开启时间ton,励磁电流降至维持阀芯位置保持电流iH,由于电感作用,激励电压在稳压管作用下出现负值;当控制信号断开时,励磁电流迅速降至0,利用供油回油压差使阀芯复位,激励电压变化出现转折点C,对应阀芯关闭时间toff。图3反映了这一动态过程,试验曲线与理论分析相符。

    图3 高速开关阀动态性能测试曲线

    3.1 卸荷电路对高速开关阀关闭速度影响

    为减小失电后线圈感生电动势对达林顿管的伤害,通常情况下,在电磁铁两端反向并联续流二极管。失电时,线圈产生的感生电动势通过二极管与线圈构成回路消耗掉(如图4a)。在电路中,采用稳压管完成卸荷。当感生电动势低于稳压值时,卸荷回路不通,由线圈内阻消耗;当感生电动势高于击穿电压后,稳压管工作在击穿状态,以较大电流提供卸荷回路(如图4b),将线圈的储能消耗掉。假设电磁铁线圈电感变化不大,对两种卸荷方式分别建立零输入响应动态方程。

    图4 断电后两种方式续流电路图

    普通二极管续流,零输入响应:

        (2)

        (3)

    由式(2)、式(3)得:

    求导得:

        (4)

    稳压二极管续流,零输入响应:

        (5)

    由式(3)、式(5)得:

    求导得:

        (6)

    式中:i(t)为线圈中动态电流;Rs为电磁铁内阻;L为电磁铁电感;Us为电磁铁供电电压,24V;UD为二极管正向导通压降,0.7V;UDW为稳压管击穿电压,39V。

    解出电流变化率,由式(4)、式(6)可得:负号代表电流衰减,稳压管续流电流衰减速度高于二极管,且UDW越大越明显,考虑到对达林顿管的伤害,要适当选择。图5为供油压力8MPa,载波频率25Hz,两种卸荷方式电流信号对PWM信号的响应情况。阀开启时,电流信号基本相同;由保持电流衰减到0时,稳压管(IN5366B)过渡时间明显小于普通二极管(IN4007)。

    图5 通过高速开关阀的电流信号

    3.2 供油压力对动态特性的影响

    HSV高速开关阀借助供油回油压差复位,取代了复位弹簧,使得结构简单,响应速度大大提高;同时,对不同供油压力,阀的工作性能也不同。对高速开关阀空载下得电和失电状态分别建立运动方程。

    通电状态:

        (7)

    断电状态:

        (8)

    式中:Fm为电磁推力;A为进油球阀截面积;fs为液动力;f为摩擦等阻力;c为黏性阻尼系数;m为阀芯和衔铁的总质量;x为阀芯位移。

    图6为载波频率为50Hz,供油压力2MPa到10MPa时,高速开关阀的开启和关闭响应时间。随着供油压力增加,由式(7),开启阀芯所需Fm逐渐增大,开启响应时间增大,由于高电压的作用,电流增长速度快,因此影响不明显;由式(8),关闭阀芯时Fm也逐渐增大,电流衰减时间减少,从而关闭延迟时间toff减小。

    图6 不同供油压力时,阀的响应时间

    4 高速开关阀静态性试验研究

    4.1 卸荷电路对静态特性的影响

    保证供油压力8MPa,载波频率25Hz,分别采用并联二极管、稳压管卸荷方式的空载流量特性如图7,普通二极管续流时,由于卸荷不彻底,线性范围15%~60%;稳压二极管线性范围扩大到10%~95%。

    图7 不同二极管续流,空载流量特性

    4.2 载波频率对静态特性的影响

    高速开关阀要完成一次开启动作,正脉冲宽度Tp至少要大于阀的总开启时间ton;完成一次关闭动作,负脉冲宽度至少要大于阀的总关闭时间toff。实际工作中,除要求阀完成开关动作,还要考虑控制流量线性范围、稳定性、阀的振动、电磁铁的发热等。因此,不能用传统的f<1/(ton+toff)来选择载波频率,更应该考虑实际工作系统。

    供油压力3MPa,载波频率25Hz、50Hz、75Hz试验空载流量曲线如图8。随着载波频率增加,控制流量粗糙度减小;阀的开启延迟时间、高电压作用时间、阀的关闭延迟时间没变化,但在载波周期内所占比例增大,线性控制范围逐渐缩小。

    图8 供油压力3MPa,不同频率空载流量特性

    4.3 供油压力对静态特性的影响

    考虑高速开关阀在不同压差下工作,选择载波频率50Hz,供油压力分别3MPa、4MPa、8MPa、10MPa进行试验,空载流量曲线如图9。载波频率不变,随着压差增大,由于图6中开启响应变化不大,死区变化不太明显;饱和区明显缩小,由3MPa时20%到10MPa时5%。

    图9 载波频率50Hz,不同供油压力空载流量特性

    5 结论

    通过对HSV高速开关阀在双电压驱动下进行试验研究,试验结果与理论分析相符,并得出以下结论:

    (1)稳压管续流作用明显优于普通并联二极管;

    (2)随着频率增加,控制粗糙度减小,线性控制范围也减小,同时会带来电磁铁发热、阀的振动等问题。实际工作中,要根据工作点合理选择;

    (3)随着供油压力的增加,开启响应逐渐变慢,关闭响应逐渐提高;饱和区减小,线性控制范围增加

    本页关键词:进口气动调节阀, 进口电动调节阀,, 进口调节阀

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