高速開關(guān)閥流量特性的試驗研究

楊樹軍，王楠，王青

(燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北秦皇島 066004)

0 前言

高速開關(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)一系列脈沖電信號進行開關(guān)動作［1］，具有可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、抗污染能力強、對電子控制回路要求低等特點［2－6］。高速開關(guān)閥主要有錐閥式和球閥式兩種，球閥式高速開關(guān)閥由于其密封性好、反應(yīng)靈敏、動態(tài)響應(yīng)好而得到普遍應(yīng)用［7］。在新型氣動元件電－氣比例調(diào)壓閥、風(fēng)力機制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)的數(shù)字式變量泵以及車輛換擋品質(zhì)的改善方面均用高速開關(guān)閥進行控制［8－11］。目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、冶金、農(nóng)業(yè)機械、工程機械等重要領(lǐng)域。例如用高速開關(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，實現(xiàn)對裝載機的數(shù)字化電液比例控制［12－15］。文中對高速開關(guān)閥靜態(tài)特性進行了試驗研究，分析了系統(tǒng)壓力、控制信號頻率等因素對高速開關(guān)閥流量的影響規(guī)律。

1 高速開關(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關(guān)閥的結(jié)構(gòu)簡圖，當高速開關(guān)閥線圈通電時，銜鐵1在電磁力的作用下，克服彈簧力、摩擦力和液動力，推動頂桿6帶動供油球閥7向右運動，從而使閥口打開;當線圈斷電時，供油球閥在液動力和彈簧力的共同作用下向左運動，最終壓緊在供油球閥密封座上，閥口關(guān)閉。利用單片機及驅(qū)動電路產(chǎn)生的脈寬調(diào)制 (PWM)信號來控制高速開關(guān)閥通斷，當信號頻率一定時，通過信號的占空比變化改變閥開啟、關(guān)閉的時間。

圖1 高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)簡圖

2 高速開關(guān)閥流量特性試驗

高速開關(guān)閥的流量特性是高速開關(guān)閥的重要靜態(tài)特性之一，可以反映閥對系統(tǒng)壓力的控制能力。圖2是高速開關(guān)閥流量特性的試驗臺原理圖。通過變頻器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速控制輸入流量的大小;單片機通過驅(qū)動電路產(chǎn)生不同頻率的PWM信號控制高速開關(guān)閥的啟閉;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過壓力、流量傳感器采集高速開關(guān)閥壓力、流量參數(shù)。試驗臺所用設(shè)備及型號見表1。

圖2 高速開關(guān)閥空載流量特性實驗臺簡圖

表1 試驗設(shè)備

3 試驗結(jié)果分析

3.1 壓力對高速開關(guān)閥流量特性的影響

選取工作頻率為25、50 Hz，開展不同壓力下流量隨占空比的變化規(guī)律試驗，試驗結(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，流量與占空比的變化曲線;圖3(b)為工作頻率40 Hz時的試驗曲線。

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，流量特性線性度為4.8%。試驗結(jié)果表明:(1)流量與壓力的大小成正比;(2)占空比、信號頻率一定時，壓力與流量的線性度成正比。

圖3 不同壓力下流量占空比變化曲線

3.2 頻率對高速開關(guān)閥流量特性的影響

在高速開關(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)制頻率開展高速開關(guān)閥流量Q隨占空比τ變化規(guī)律的試驗。圖4是最大壓力為1.6 MPa時，高速開關(guān)閥的流量隨占空比變化的關(guān)系曲線。

圖4 不同工作頻率下流量占空比關(guān)系試驗曲線

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，頻率對流量的影響很小，在占空比為20%～80%時，影響更小。(2)在工作頻率為25 Hz、占空比為5%時，油液流量為0.073 L/min，高速開關(guān)閥基本沒有死區(qū);而工作頻率為50 Hz、占空比為5%時，油液流量為基本為0。由此可見高速開關(guān)閥的響應(yīng)特性與控制信號的頻率密切相關(guān)，頻率越高，一個脈寬周期內(nèi)通斷電時間越短，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，流量隨占空比變化曲線的線性度依次是7.4%、8.35%、8.8%，即工作頻率與曲線的線性度成正比。

3.3 高速開關(guān)閥等效流通面積的確定

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

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

由高速開關(guān)閥平均流量公式 (1)可以得出

圖5為高速開關(guān)閥閥口全開即占空比為100%、信號頻率為25 Hz時，流量與壓力的變化曲線。在系統(tǒng)壓力為0.7～1.6 MPa時，流量隨壓力基本成線性變化。根據(jù)試驗數(shù)值得到/Δp隨系統(tǒng)壓力的變化曲線，如圖6所示。由圖可知/Δp值基本是一個定值0.625，這對于高速開關(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 頻率一定時流量隨壓力變化曲線

圖6 不同壓力時Q2/Δp值

4 結(jié)論

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

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