上海沪工阀门厂(集团)有限公司

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摘要:2D 气动高速开关阀是采用具有两个运动自由度阀芯的双级高速开关阀,该阀由双稳力矩马达驱动阀芯旋转实现导阀功能,由气体压力差推动阀的轴向运动。本文在介绍 2D 高速开关阀的基础上,对其动态特性进行实验研究,结果表明其具有很高的开关特性。

关健词高速开关阀力矩马达动态特性

0 引言

脉宽调制在流体动力系统应用的基本思想就是利用高速开关元件,通过控制其开关状态的占空比数的不同,从而控制阀口开度的时间平均值。对于流体控制系统,一般对其响应速度皆有一定的要求,因而在工作过程中调制频率应尽可能地高,即要求阀的开关时间很短。

此外,工程中的快速动作机构(如机车紧急刹闸、电路快速切断开关等)的主要特点是瞬时释放出大功率的能量:它们常用的驱动方式有直接电磁驱动、液压和气动三种方式。其性能对照见表 1。从表中可以清楚看出,液压或气动系统瞬时释放大功率的特性远优于电磁驱动的方式。而液压或气动系统能量释放是由开关阀实现的,为了实现快速性,关键是提高阀的开关速度。

表 1 三种驱动元件快速性的对照
技术特性 类别
直流电磁铁 油缸 气缸
单位面积作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
最高运行速度 小于 3m/s 5×油管截面积/油缸活塞面积 m/s 音速×气管截面积/气缸活塞面积 m/s
刹车缓冲特性 一般 较好
维护 容易 较难 容易
造价 造价与功率大小呈直线上升 较高 较低
辅助设备 直流电源 油源 气源
实用瞬间功率 0~几十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
作为快速驱动元件的适用范围 用于机-电转换的光导级、低功率漏电开关 工程车辆的车闸 适用于各种机械安全防护装置、车闸

本文提出一种采用双自由度阀芯构成的双级气动高速开关阀,在介绍 2D 高速开关阀的基础上,对其动态特性进行实验研究。

1 气动高速开关阀

2D 气动高速开关阀采用双自由度的设计思想,将导阀与主阀做在一个阀芯上,导阀由阀芯的旋转自由度实现其功能,主阀口的开度大小由阀芯的轴向滑动控制,其基本结构见图 1:

2D 气动高速开关阀
图 1 2D 气动高速开关阀

阀芯的右腔为敏感腔,在阀芯的右端台肩上开设有 a、b 口,a 口与 Po 相通;b 口与大气 Pa 口相通;在阀座孔右端经通道 c 与敏感腔相通;阀左腔经通道 d 与 PL 相通;当力矩马达驱动阀芯转动,使 a 与 c 通时,则敏感腔处于高压状态,这时阀芯将在压力推动下左移,使 Po 与 PL 沟通;当 b 与 c 口沟通时,敏感腔处于低压,阀芯右移,PL 与 Pa 沟通,阀芯是细长状的,转动惯量较小,容易实现快速摆动。该阀为一三通换向阀,若阀芯中间的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度,则该阀为二通型。这种结构的阀实际上为二级结构,PL 口可以有较大的流量输出,若不需要大流量可将 PL 口堵死而直接从由端盖的 e 口引出压力信号。为了保证阀所受的径向力平衡,a、b 和 c 口及通道均采用轴对称的结构。

阀芯的旋转运动由力矩马达驱动。力矩马达主要由衔铁、导磁体及磁钢构成,具有双稳记忆功能,其工作原理如下:衔铁与导磁体处于正常的工作位置时,形成四个工作系隙,衔铁上有一激磁线圈。磁钢在系隙中形成垂直向下方向的磁场,而当激磁线圈通电时,则产生两个环状的封闭的磁场,该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场分别得以加强和削弱,其结果使衔铁快速摆动。当衔铁的端部到达闭合位置时,线圈的电流切断,衔铁在磁钢吸力的作用下,其位置保持不变。这便使得该力矩马达具有稳态记忆功能。当线圈通以相反方向的脉冲电流时,则衔铁反向摆动。由于该力矩马达具有稳态记忆功能,可由强电流脉冲驱动,因而可确保其快速响应特性。

2 实验研究

将力矩马达与阀体相联构成双级高速开关阀,采用电涡流传感器测量阀芯位移,阀芯最大位移为 0.5mm;用紫外线示波器记录输入电压 U1、U2 和线圈两端输出电压 UL 及电流 IL 的波形,实测的波形见图 2。显而易见,阀芯与电磁铁相联后,衔铁的动作时间要略为多一些,但由于该阀芯的转动惯量仅为衔铁转动惯量的 1/3,所以动作时间的增加并不多。相联后实测得力马达最大响应脉冲信号频率为 190Hz(驱动电压 30V)。

2D 双级高速开关阀的试验结果
图 2 2D 双级高速开关阀的试验结果

表 2 给出阀动作时间与力马达初始系隙之间的关系(压力为 0.8MPa):从表中可以看出当 θ0 为 0.2 度左右时,阀的动作时间最短。当系隙增大时,马达的动作时间增大;当系隙减小时,导阀开度较小,推动阀芯运动的供气不足,这两种因素皆使阀动作时间增大。

表 2 力马达系隙与阀动作时间的关系
θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37

图 3 给出了供气压力与阀动作时间的关系,它们之间近似呈二次曲线的变化规律。

阀动作时间与供气压力的关系
图 3 阀动作时间与供气压力的关系

3 结论

将双自由度的阀芯运用于气动高速开关阀的设计是成功的,它既适用于小通径也适用于较大通径。调整力矩马达的调隙螺钉可改变导阀(旋转自由度)开启面积大小。改变阀芯中央台肩的宽度变化,可使阀成为二通型或三通型。

阀门的通径为 φ6,阀门的开关时间为 1.3ms 左右。导阀的开关时间随系隙调整螺钉的改变而变化,即调整衔铁的摆角行程可以改变开启时间。对导阀而言,行程越小则开关时间越短,然而对主阀却不是这样的,只有当衔铁的行程达到某一值时,主阀的开启时间最短。在机械加工精度保证的前提下,增大导阀的面积梯度,减小行程,可缩小阀的开关时间。

该阀速度较快的另一原因是回程采用脉冲电流驱动。一方面由于回程不存在弹簧,则力矩马达输出的机械功皆用于驱动阀芯,毋需克服弹簧力,从而使阀芯运动时间较短。另一方面采用瞬间通电,较大的瞬间电流使阀芯快速动作,又不会引起马达线圈发热过剧而烧坏。由于机构中没有弹簧,从而不存在弹性元件的疲劳破坏的问题,这一点对脉宽调制状态下工作的阀尤为重要。

综上所述,将双自由度的原理运用于高速气动开关阀的设计是成功的,所设计的高速开关元件具有良好的性能,这种性能还可随加工精度的提高而得到进一步提高。


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