傅瑩龍
摘? 要:針對工業(yè)2D伺服閥動態(tài)特性可能存在的不穩(wěn)定問題,分析了工業(yè)2D伺服閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及抗污染能力。并在此基礎(chǔ)上,設(shè)計并搭建了測試實驗平臺,在額定壓力21MPa時,對3只額定流量為50L/min的通徑6mm的工業(yè)2D伺服閥進行了動態(tài)特性實驗研究。研究結(jié)果表明:3只工業(yè)2D伺服閥在-3dB處幅頻寬至少可達73Hz(25%額定流量),階躍響應(yīng)上升時間至少可達10ms;3只6mm通徑工業(yè)2D伺服閥均具有較理想的動態(tài)特性,不存在動態(tài)特性不穩(wěn)定的問題。
關(guān)鍵詞:工業(yè)2D伺服閥;動態(tài)特性;實驗研究
0? 引言
電液伺服閥既是電液轉(zhuǎn)換元件,又是功率放大元件。它能夠?qū)⑤斎氲奈⑿‰姎庑盘栟D(zhuǎn)換為大功率的液壓信號(流量和壓力)輸出[1]。
工業(yè)2D伺服閥有著結(jié)構(gòu)簡單,原理先進,性能優(yōu)越和抗污染能力強等特點。本文對正開口工業(yè)2D伺服閥的動態(tài)特性和頻率特性進行了實驗研究,具有極大的研究和實用價值。
1 工業(yè)2D伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理
工業(yè)2D伺服閥將導(dǎo)閥和主閥融為一體,通過雙自由的伺服螺旋機構(gòu)實現(xiàn)位置反饋,無需任何固定阻力小孔來保證其穩(wěn)定性,結(jié)構(gòu)簡單且加工方便,如圖1。為保持閥芯的徑向力平衡,閥套采用具有雙自由度控制功能的雙伺服螺旋機構(gòu)。雙伺服螺旋機構(gòu)具有良好的自清潔功能(過濾精度達在30微米以下),例如:一旦某一側(cè)的高壓(或低壓)弓形孔堵塞,閥芯的力平衡將受到破壞而軸向移動,從而增大堵塞弓形孔的面積清除堵塞物。且閥芯最小孔徑為2mm,被堵塞的可能性極小。閥芯將原來的圓形高低壓口,改成滿弓形(通過電火花加工),將弓弦對準(zhǔn)螺旋槽,以加大面積梯度[2-3]。
工業(yè)2D伺服閥利用單個閥芯的旋轉(zhuǎn)和滑動雙自由度構(gòu)成(如圖2)。在該結(jié)構(gòu)中,閥右腔通過小孔b,經(jīng)閥芯桿內(nèi)通道和小孔a與進油口(系統(tǒng)壓力)相通,其面積為左腔的一半;左腔的壓力由開設(shè)在閥芯左端臺肩上的一對高低壓孔和開設(shè)于閥芯孔左端的螺旋槽相交的兩個微小弓形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制。在靜態(tài)時若不考慮摩擦力及閥口液動力的影響,左敏感腔壓力為入口壓力(系統(tǒng)壓力)的一半,閥芯軸向保持靜壓平衡,與螺旋槽相交的高低壓側(cè)的弓形面積相等。當(dāng)以順時針(面對閥芯伸出桿)的方向轉(zhuǎn)動閥芯,則高壓側(cè)的弓形面積增大、低壓側(cè)的弓形面積減小,左腔壓力升高,并推動閥芯右移,同時高低壓孔又回到螺旋槽的兩側(cè),處于高低壓側(cè)弓形面積相等的位置,敏腔的壓力恢復(fù)為入口壓力(系統(tǒng)壓力)的一半,保持軸向力平衡;若逆時針的方向轉(zhuǎn)動閥芯,變化則正好相反,閥芯向左移動。
在2D伺服閥中,閥芯角位移與軸向位移之間的轉(zhuǎn)換運動與普通的機械螺旋機構(gòu)的轉(zhuǎn)換運動相一致,不同之處在于閥芯的軸向運動由液壓靜壓力驅(qū)動的,因此實現(xiàn)工業(yè)2D伺服閥閥芯轉(zhuǎn)角與軸向位移(主閥開口)轉(zhuǎn)換的導(dǎo)控結(jié)構(gòu)也稱為液壓伺服螺旋機構(gòu)。從結(jié)構(gòu)和工作原理可以看出2D伺服閥為雙級位置反饋液壓流量伺服閥。
2 動態(tài)特性測試原理
液壓系統(tǒng)原理見圖3。工業(yè)2D伺服閥的動態(tài)特性通常用它的階躍響應(yīng)特性或頻率特性來表示。測試所使用的流量計型號為VS4,其測量量程為300L/min,精度為0.3%,重復(fù)精度為±0.05%。實驗時,信號發(fā)生器發(fā)出滿開口幅值(±4V)的低頻(0.02Hz)正弦信號,該信號一方面送給2D伺服閥控制器,另一方面送給記憶示波器。
3? 動態(tài)特性實驗測試
3.1 階躍響應(yīng)特性
系統(tǒng)調(diào)零后,關(guān)閉1號,2號,3號截止閥,打開4號,5號截止閥,輸入幅值4v的階躍信號,使閥芯為滿開口,調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力為21MPa ,待示波器出現(xiàn)穩(wěn)定的流量信號,保存流量信號和輸入控制信號,處理數(shù)據(jù)得階躍響應(yīng)特性,6mm工業(yè)2D伺服閥的階躍響應(yīng)時間為10ms。
3.2 頻率特性
系統(tǒng)調(diào)零后,關(guān)閉1號,2號,3號截止閥,打開4號,5號截止閥,輸入幅值1v,頻率為1Hz的正弦信號,使閥芯25%開口,調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力為21MPa ,待示波器出現(xiàn)穩(wěn)定的流量信號,保存流量信號和輸入控制信號。再依次改變頻率為10Hz,20Hz,40Hz,50Hz,80Hz,或更大頻率,至輸出流量信號滯后輸入信號90度。保存所有數(shù)據(jù)后處理得到頻率特性。該組工業(yè)2D伺服閥在-3dB處幅頻寬可達73Hz(25%額定流量),具有理想的動態(tài)特性和良好的加工一致性。
參考文獻:
[1]王春行. 液壓控制系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,1999.5
[2]周曲珠.圖解液壓與氣動技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2010
[3]阮健.電液(氣)直接數(shù)字控制技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社, 2000.
基金項目:2021年臺州市工業(yè)類科技計劃項(21gyb37)