， 　， ， 　， 　， 　， 希慶(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 浙江 杭州　310014)

引言

在液壓控制領(lǐng)域中，常常需要將控制信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)換成位移或流量，驅(qū)動(dòng)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。電液比例閥是將輸入電信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)換成輸出液壓的液動(dòng)控制元件。為了提高系統(tǒng)的控制精度，電液比例閥需要有較好的靜態(tài)控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性[1]。但一般直動(dòng)式電液比例閥控制大流量時(shí)，巨大的液動(dòng)力會(huì)影響閥芯的線性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致控制精度變差。為了消除液動(dòng)力影響，提高液壓閥的過流能力，最根本的辦法是采用導(dǎo)控(先導(dǎo)控制)技術(shù)。早在1936年，美國工程師Harry Vickers為了解決因液動(dòng)力影響直動(dòng)溢流閥而無法實(shí)現(xiàn)高壓、大流量系統(tǒng)的壓力控制問題，發(fā)明了導(dǎo)控溢流閥，由導(dǎo)控閥控制主閥敏感腔的壓力變化，產(chǎn)生較大的液壓靜壓力驅(qū)動(dòng)主閥芯運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)大流量控制， 但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，無法在零壓下工作[2]。

為此，本實(shí)驗(yàn)室提出了2D電液比例換向閥，通過壓紐聯(lián)軸器將比例電磁鐵的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸向直動(dòng)和繞軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其兼具直動(dòng)和導(dǎo)控電液比例換向閥的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)研究表明，該閥具有良好的靜態(tài)性能，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究[3]。

現(xiàn)主要針對(duì)2D電液比例換向閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究。為了真實(shí)反映該閥的性能，專門開發(fā)一套基于DSP芯片的數(shù)字式閉環(huán)控制系統(tǒng)，避免因控制器因素影響對(duì)閥的測(cè)試結(jié)果。本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，研究對(duì)該閥動(dòng)態(tài)性能造成影響的因素，為該閥的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

1　2D電液比例換向閥結(jié)構(gòu)及工作原理

2D電液比例換向閥由比例電磁鐵、壓-扭聯(lián)軸器和2D換向閥三者共軸連接而成，如圖1所示。比例電磁鐵作為比例閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換部分，它將外部輸入信號(hào)成比例的轉(zhuǎn)化為閥芯推力，是組成比例閥的重要部分，比例電磁鐵在2D電液比例換向閥中并不直接推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，而是推動(dòng)壓-扭聯(lián)軸器作直線運(yùn)動(dòng)，再由壓-扭聯(lián)軸器作用閥芯，實(shí)現(xiàn)閥芯直動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。壓-扭聯(lián)軸器由圖1中頂針1、銷軸2、軸承3、直線軸承4、對(duì)中彈簧5、滑楔8組成，比例電磁鐵推力直接作用頂針1上，繼而帶動(dòng)滑楔8沿銷釘9做直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中滑楔8的斜面對(duì)軸承3作用一徑向力，軸承3通過銷軸2與閥芯6相連，實(shí)現(xiàn)閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2D換向閥由閥芯6、閥體7和端蓋10組成。壓-扭聯(lián)軸器用來將比例電磁鐵的直線位移轉(zhuǎn)化成2D換向閥閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起高低壓孔(c、d、e、f)開口變化， 進(jìn)而改變閥芯左、右兩腔(a、b)壓力以推動(dòng)閥芯直線運(yùn)動(dòng)[4]。在移動(dòng)的過程中閥芯受壓-扭聯(lián)軸器作用而反向轉(zhuǎn)動(dòng)，閥兩端的敏感腔的壓力又逐漸恢復(fù)為相等的值，閥芯到達(dá)一個(gè)新的平衡位置，閥芯移動(dòng)的位移與比例電磁鐵的推力成比例關(guān)系。我們利用閥芯的這種雙自由度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)控主閥，克服液動(dòng)力、摩擦力等非線性因素的不利影響，實(shí)現(xiàn)電液比例換向閥的功能。

2　2D電液比例比例換向閥閥芯運(yùn)動(dòng)過程受力分析

如圖2所示，當(dāng)2D比例比例電磁閥的兩端沒有輸入信號(hào)時(shí)，滑楔向外推力所產(chǎn)生的彈簧Fs(左側(cè)和右側(cè)分別由下標(biāo)“l(fā)”和“r”表示)通過滑楔與滑楔接觸的滾動(dòng)軸承、銷軸傳至閥芯，由于斜面的作用，閥芯除承受軸向拉力Fs外，還承受切向力Ft的作用，同一端切向力大小相等、方向相反，可以構(gòu)成一對(duì)力偶。兩端的滑楔對(duì)閥芯的軸向作用力和力偶方向相反，因而在平衡位置時(shí)，閥芯處于預(yù)拉與預(yù)扭的狀態(tài)。當(dāng)2D比例換向閥某端的比例電磁鐵輸入信號(hào)時(shí)，比例電磁鐵推力使閥芯所受的原預(yù)拉預(yù)扭平衡被打破，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)。在高壓力大流量的工況下，由于存在液動(dòng)力和摩擦力無法直接驅(qū)動(dòng)閥芯軸向運(yùn)動(dòng)[5]。但是，通過壓-扭聯(lián)軸器，使比例電磁鐵直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，引起左右敏感腔壓力變化，放大軸向推力，閥芯足以克服摩擦力和液動(dòng)力，按比例運(yùn)動(dòng)[4]。

閥芯在移動(dòng)的同時(shí)也往回轉(zhuǎn)動(dòng)，閥芯兩端敏感腔的壓力又重新恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)的平衡值，閥芯到達(dá)一個(gè)與比例電磁鐵推力大小對(duì)應(yīng)的新平衡位置。此時(shí)閥芯受力平衡方程如式(1)：

式中：mt—— 折算到閥芯上的總質(zhì)量

1.頂針　2.銷軸　3.軸承　4.直線軸承　5.對(duì)中彈簧　6.閥芯　7.閥體　8.滑楔　9.銷釘　10.端蓋a,b —— 敏感腔　c,e —— 低壓孔　d,f —— 高壓孔　g,h —— 感受通道

圖2　閥芯運(yùn)動(dòng)過程與受力分析圖

Be—— 總黏性系數(shù)

KL—— 彈性負(fù)載剛度

FL—— 外部負(fù)載力

需要特別指出的是，當(dāng)閥的P口的壓力為零(與T口壓力相等)，此時(shí)，無法通過兩端敏感腔壓力的變化驅(qū)動(dòng)閥芯軸向移動(dòng)，但由于閥腔內(nèi)無油液流動(dòng)，閥芯不受液動(dòng)力和卡緊力的作用[5]，因而，比例電磁鐵通電后所產(chǎn)生的軸向推力可以直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，這時(shí)2D電液比例閥的工作原理與直動(dòng)式比例閥一致。

因此，該閥同時(shí)具有直動(dòng)閥和導(dǎo)控閥的功能于一體，既能在零壓或失壓的情況下像直動(dòng)閥一樣工作，也能在高壓大流量的工況下像導(dǎo)控閥一樣工作，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小。

3　動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究

3.1　試驗(yàn)平臺(tái)

2D電液比例換向閥的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)控制系統(tǒng)、液壓測(cè)試系統(tǒng)系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)組成。信號(hào)控制系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器和比例控制器組成；動(dòng)態(tài)特性測(cè)試由信號(hào)發(fā)生器輸出不同頻率的正弦信號(hào)，通過比例控制器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，進(jìn)而控制比例電磁鐵及比例閥動(dòng)作。測(cè)試系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)液壓試驗(yàn)平臺(tái)和被測(cè)2D電液比例換向閥(包括電機(jī)械轉(zhuǎn)換器)組成。信號(hào)采集系統(tǒng)由流量計(jì)、激光位移傳感器和記憶示波器組成[6]，激光位移傳感器型號(hào)為某單位生產(chǎn)的LK-G150，測(cè)量速度可達(dá)392 kHz，精度為±0.02%，重復(fù)性為0.01 μm。在上壓時(shí)，閥芯位移可以通過閥芯導(dǎo)桿導(dǎo)出，利用激光位移傳感器把閥芯位移信號(hào)輸入記憶示波器。由2D比例換向閥結(jié)構(gòu)及工作原理可知，比例電磁鐵作為比例閥的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，其性能優(yōu)劣對(duì)比例閥的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。本實(shí)驗(yàn)所選的比例電磁鐵型號(hào)為“GP45-4-A”，額定電壓為10 V，額定電流為0.8 A，可以輸出80 N 的額定推力，行程可達(dá)3 mm。

圖3　2D電液比例換向閥測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2　比例閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

1) 頻率特性

實(shí)驗(yàn)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的正弦信號(hào)，輸入數(shù)字式比例控制器。2D比例換向閥隨著控制信號(hào)正弦往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在供油壓力為3 MPa和空載條件下，所測(cè)得2D比例換向閥對(duì)不同頻率正弦信號(hào)的響應(yīng)如圖4所示。

從圖4中可以看出，2D比例換向閥對(duì)1～50 Hz的正弦信號(hào)具有良好的跟隨特性。

圖5為不同頻率下2D比例換向閥閥芯位移的頻率特性曲線。從圖5a幅頻特性曲線可知，幅值下降3 dB時(shí)，頻率可達(dá)18 Hz。根據(jù)5b相頻特性曲線可知，相位滯后90°時(shí)，頻率可達(dá)50 Hz。說明該比例閥具有非常好的動(dòng)態(tài)特性，與國內(nèi)同規(guī)格的各類換向閥相比具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

2) 階躍響應(yīng)

輸入信號(hào)為0.1 Hz的方波信號(hào)時(shí)，2D比例換向閥閥芯響應(yīng)曲線如圖6所示。從圖中可看出，階躍響應(yīng)時(shí)間約為55 ms，有較小的超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差±1.5%,表明2D比例換向閥具有較高的響應(yīng)速度及控制精度。

圖4　2D電液比例換向閥的頻率響應(yīng)

4　結(jié)論

(1) 2D數(shù)字式電液比例換向閥具有良好的動(dòng)態(tài)跟隨特性，在幅值下降3 dB，相位滯后90°時(shí)，頻響可達(dá)18 Hz，與國內(nèi)同規(guī)格的各類換向閥相比具有較明顯的優(yōu)勢(shì)；

圖5　頻率特性曲線

圖6　階躍響應(yīng)曲線

(2) 在頻率較低時(shí)，由于摩擦力影響，在峰值時(shí)會(huì)出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象，在輸出信號(hào)上疊加一定幅值頻率的顫振信號(hào)，就可以消除“飽和”現(xiàn)象；

(3) 比例電磁鐵作為電機(jī)械轉(zhuǎn)換部分，比例電磁鐵的動(dòng)態(tài)性能直接影響閥的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)2D比例閥的具體影響還有待研究。

參考文獻(xiàn)：

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