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        基于AMESIM 的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)特性

        2021-03-08 02:49:28孫燦興張曉松
        機電設(shè)備 2021年1期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字式主閥球閥

        孫燦興,張曉松

        (上海海岳液壓機電工程有限公司,上海200032)

        0 引言

        位移-電反饋型的比例節(jié)流插裝閥已取得比較廣泛的應(yīng)用,它的先導(dǎo)閥由模擬量信號進行控制。但是,在實際應(yīng)用過程中,模擬量控制信號總是受到干擾,信號被多次復(fù)制或進行長距離傳輸之后,這些干擾的影響可能會變得十分顯著。而與模擬信號相比,數(shù)字信號在傳輸過程中具有更高的抗干擾能力、更遠的傳輸距離,且失真幅度小。

        當(dāng)前,比例節(jié)流插裝閥的先導(dǎo)閥一般采用二位三通閥,比例型節(jié)流插件的上部控制腔的壓力取決于二位三通比例節(jié)流閥的中間控制油口,通過模擬量控制信號,使得閥芯保持在一定的開口位置,從而決定了中間控制油口的壓力。但是,模擬量控制信號容易受到周圍環(huán)境的干擾。

        本研究針對上述情況,采用二位二通球閥式高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)閥來實現(xiàn)數(shù)字式控制,二位二通球閥式高速開關(guān)閥由PWM信號進行控制,建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型,基于AMESIM構(gòu)建數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)響應(yīng)仿真模型。通過PWM脈寬調(diào)制信號的占空比和頻率對于二位二通高速開關(guān)電磁閥的影響,提出提高比例節(jié)流插裝閥控制性能的措施。

        1.數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥結(jié)構(gòu)組成及原理

        1.1 工作原理

        數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥原理見圖1,等效符號圖見圖2。在高速開關(guān)電磁鐵不通電時,節(jié)流插件的控制油口a與回油T相通;在電子控制單元在某一頻率范圍內(nèi)給高速開關(guān)電磁鐵提供PWM信號時,通過調(diào)整PWM控制的占空比和頻率,控制高速開關(guān)電磁閥的開或關(guān)的時間比例,使鋼球平均開度量保持在一個水平,從而控制a口的壓力,最終實現(xiàn)閥芯的開口度控制,實現(xiàn)比例節(jié)流功能。

        圖1 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的原理圖

        圖2 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的等效符號圖

        1.2 結(jié)構(gòu)

        1.2.1數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)

        本文所述的緊湊型數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥主要包括:比例型節(jié)流插件、蓋板體、高速開關(guān)電磁閥、直線位移傳感器、梭閥、阻尼螺塞及電子控制單元。其結(jié)構(gòu)見圖3。

        圖3 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)圖

        1.2.2高速開關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)

        由PWM信號控制的高速開關(guān)電磁閥按閥芯的結(jié)構(gòu),可以分為4大類,即噴嘴擋板式、圓柱滑閥式、錐閥式、球閥式等,而本文所述的球閥式高速開關(guān)電磁閥(圖4)因其結(jié)構(gòu)簡單、密封可靠、動作靈敏、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

        圖4 二位二通球閥式高速開關(guān)電磁閥的結(jié)構(gòu)圖

        2.數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的數(shù)學(xué)模型

        2.1 插裝閥閥芯的運動方程

        根據(jù)牛頓第二定律,得出插裝閥閥芯的力平衡方程見式(1):

        式中:p1為工作口1的壓力,MPa;p2為工作口2的壓力,MPa;pa為控制口a的壓力,MPa;x為閥芯的位移(開口度),mm;x0為閥芯閉合時彈簧預(yù)壓縮量,mm;A1為閥芯進口面積,mm2;Aa為閥芯控制腔面積,mm2;m1為閥芯有效質(zhì)量,kg;B1為節(jié)流閥芯運動黏性摩擦系數(shù);k1為主彈簧剛度,N/mm;ks1為穩(wěn)態(tài)液動力系數(shù)。

        2.2 高速開關(guān)電磁閥的運動方程

        高速開關(guān)電磁閥的閥芯力平衡方程如式(2):

        式中:B2為高速開關(guān)電磁閥閥芯運動黏性摩擦系數(shù);m2為運動部件的質(zhì)量,包括銜鐵、頂桿等,kg;Fδ為電磁力,N;Fp為液動力,N;Fs為摩擦力,N。

        2.3 高速開關(guān)電磁閥的電磁模型

        忽略溫度對線圈電阻的影響,電壓平衡方程見式(3):

        式中:U為驅(qū)動電壓,V;R為線圈電阻,Ω;φ為線圈磁鏈,Wb;φ為線圈磁通,Wb;i為線圈中的電流;N為線圈匝數(shù)。

        根據(jù)電磁學(xué)理論,磁鏈φ、磁通φ、線圈電流i和電感L的關(guān)系式為

        綜合式(3)和式(4)可得電路的數(shù)學(xué)模型見式(5):

        式中:L為電磁線圈的等效電感,H;R為電磁鐵的工作間隙,mm。

        3 基于AMESIM 的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)模型

        根據(jù)數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的結(jié)構(gòu)及上述數(shù)學(xué)模型,建立動態(tài)仿真模型,如圖5所示。

        圖5 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的AMESim 動態(tài)仿真模型

        4 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的動態(tài)響應(yīng)特性

        4.1 模型關(guān)鍵參數(shù)

        在數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的仿真模型中,關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

        表1 數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥仿真模型關(guān)鍵參數(shù)

        4.2 PWM 信號的占空比的影響

        設(shè)定PWM的調(diào)制頻率為100 Hz,占空比分別為20%、40%、60%、80%時,主閥閥芯位移和主閥流量曲線分別如圖6和圖7所示。

        圖6 主閥閥芯位移時間響應(yīng)曲線(不同占空比)

        圖7 主閥流量時間響應(yīng)曲線(不同占空比)

        當(dāng)占空比為20%時,高速開關(guān)閥的電磁力不足以推動鋼球,因此主閥芯位移始終為0,沒有動作;當(dāng)占空比分別為40%和60%時,高速開關(guān)閥的電磁力使得閥芯保持在一定開度的位置,實現(xiàn)比例功能;當(dāng)占空比分別為80%時,足夠大的電磁力使得閥芯達到極限位置,不再處于中間位置,輸出流量處于飽和狀態(tài)。

        4.3 PWM 信號的頻率的影響

        高速開關(guān)閥的占空比為55%,頻率分別為50 Hz、75 Hz、100 Hz、150 Hz時,主閥閥芯位移和主閥流量曲線分別如圖8和圖9所示。

        圖8 主閥閥芯位移時間響應(yīng)曲線(不同頻率)

        圖9 主閥流量時間響應(yīng)曲線(不同頻率)

        由圖8和圖9可以看出,當(dāng)高速開關(guān)閥的頻率越高時,主閥芯位移及流量越小,在高頻范圍內(nèi),調(diào)制頻率的大小對閥芯平衡不存在影響。因此在高頻范圍內(nèi),PWM調(diào)制頻率的大小對數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥的比例特性不存在影響。

        5 結(jié)論

        高速開關(guān)電磁閥作為一種性能優(yōu)異的電液控制元件,不僅響應(yīng)時間快,而且成本是伺服閥和比例閥的1/10左右,高頻PWM(約100 Hz)控制下的高速開關(guān)閥已經(jīng)具有比例閥的功能,在一定程度上已經(jīng)是比例閥。除此之外,高速開關(guān)電磁鐵的線圈電阻和匝數(shù)、彈簧的剛度、鋼球的質(zhì)量以及PWM的調(diào)制頻率均會對高速開關(guān)電磁閥的比例開關(guān)功能有著直接的影響。

        本文中的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥具有以下優(yōu)勢:

        1)高頻PWM控制下的二位二通高速開關(guān)電磁閥已經(jīng)具有比例閥的功能,在一定程度上已經(jīng)是比例閥,用它來替代傳統(tǒng)的二位三通比例節(jié)流閥用作先導(dǎo)閥,可以實現(xiàn)比例功能的數(shù)字量信號控制。

        2)由于數(shù)字量控制信號的抵抗環(huán)境干擾的能力比模擬信號強,因此數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥具有更高的可靠性。

        3)電子控制單元的部分功能集成在插頭式數(shù)字閉環(huán)放大器中,直接與高速開關(guān)電磁閥的電插頭進行連接,使得本文中的數(shù)字式比例節(jié)流插裝閥更加緊湊。

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