2D氣動高速開關(guān)閥介紹與動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)論

0 引言

    脈寬調(diào)制在流體動力系統(tǒng)應(yīng)用的基本思想就是利用高速開關(guān)元件，通過控制其開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)的不同，從而控制閥口開度的時(shí)間平均值。對于流體控制系統(tǒng)，一般對其響應(yīng)速度皆有一定的要求，因而在工作過程中調(diào)制頻率應(yīng)盡可能地高，即要求閥的開關(guān)時(shí)間很短。

    此外，工程中的快速動作機(jī)構(gòu)（如機(jī)車緊、電路快速切斷開關(guān)等）的主要特點(diǎn)是瞬時(shí)釋放出大功率的能量：它們常用的驅(qū)動方式有直接電磁驅(qū)動、液壓和氣動三種方式。其性能對照見表 1。從表中可以清楚看出，液壓或氣動系統(tǒng)瞬時(shí)釋放大功率的特性遠(yuǎn)優(yōu)于電磁驅(qū)動的方式。而液壓或氣動系統(tǒng)能量釋放是由開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)快速性，關(guān)鍵是提高閥的開關(guān)速度。

    表 1 三種驅(qū)動元件快速性的對照

    本文提出一種采用雙自由度閥芯構(gòu)成的雙級氣動高速開關(guān)閥，在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上，對其動態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

    1 氣動高速開關(guān)閥

    2D氣動高速開關(guān)閥采用雙自由度的設(shè)計(jì)思想，將導(dǎo)閥與主閥做在一個(gè)閥芯上，導(dǎo)閥由閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)其功能，主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動控制，其基本結(jié)構(gòu)見圖 1：

    圖 1 2D 氣動高速開關(guān)閥

    閥芯的右腔為敏感腔，在閥芯的右端臺肩上開設(shè)有 a、b 口，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通；在閥座孔右端經(jīng)通道 c 與敏感腔相通；閥左腔經(jīng)通道 d 與 PL 相通；當(dāng)力矩馬達(dá)驅(qū)動閥芯轉(zhuǎn)動，使 a 與 c 通時(shí)，則敏感腔處于高壓狀態(tài)，這時(shí)閥芯將在壓力推動下左移，使 Po 與 PL 溝通；當(dāng) b 與 c 口溝通時(shí)，敏感腔處于低壓，閥芯右移，PL 與 Pa 溝通，閥芯是細(xì)長狀的，轉(zhuǎn)動慣量較小，容易實(shí)現(xiàn)快速擺動。該閥為一，若閥芯中間的臺肩寬度大于閥孔環(huán)形槽的寬度，則該閥為二通型。這種結(jié)構(gòu)的閥實(shí)際上為二級結(jié)構(gòu)，PL 口可以有較大的流量輸出，若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號。為了保證閥所受的徑向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱的結(jié)構(gòu)。

    閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動由力矩馬達(dá)驅(qū)動。力矩馬達(dá)主要由銜鐵、導(dǎo)磁體及磁鋼構(gòu)成，具有雙穩(wěn)記憶功能，其工作原理如下：銜鐵與導(dǎo)磁體處于正常的工作位置時(shí)，形成四個(gè)工作系隙，銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場，而當(dāng)激磁線圈通電時(shí)，則產(chǎn)生兩個(gè)環(huán)狀的封閉的磁場，該磁場將使兩個(gè)對角處的系隙的永磁體的磁場分別得以加強(qiáng)和削弱，其結(jié)果使銜鐵快速擺動。當(dāng)銜鐵的端部到達(dá)閉合位置時(shí)，線圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下，其位置保持不變。這便使得該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能。當(dāng)線圈通以相反方向的脈沖電流時(shí)，則銜鐵反向擺動。由于該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能，可由強(qiáng)電流脈沖驅(qū)動，因而可確保其快速響應(yīng)特性。

    2 實(shí)驗(yàn)研究

    2D氣動高速開關(guān)閥介紹與動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)論將力矩馬達(dá)與閥體相聯(lián)構(gòu)成雙級高速開關(guān)閥，采用電渦流傳感器測量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm；用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形，實(shí)測的波形見圖 2。顯而易見，閥芯與電磁鐵相聯(lián)后，銜鐵的動作時(shí)間要略為多一些，但由于該閥芯的轉(zhuǎn)動慣量僅為銜鐵轉(zhuǎn)動慣量的 1/3，所以動作時(shí)間的增加并不多。相聯(lián)后實(shí)測得力馬達(dá)最大響應(yīng)脈沖信號頻率為 190Hz（驅(qū)動電壓 30V）。

    圖 2 2D 雙級高速開關(guān)閥的試驗(yàn)結(jié)果

    表 2 給出閥動作時(shí)間與力馬達(dá)初始系隙之間的關(guān)系（壓力為 0.8MPa）：從表中可以看出當(dāng) θ0 為 0.2 度左右時(shí)，閥的動作時(shí)間最短。當(dāng)系隙增大時(shí)，馬達(dá)的動作時(shí)間增大；當(dāng)系隙減小時(shí)，導(dǎo)閥開度較小，推動閥芯運(yùn)動的供氣不足，這兩種因素皆使閥動作時(shí)間增大。

    表 2 力馬達(dá)系隙與閥動作時(shí)間的關(guān)系

    圖 3 給出了供氣壓力與閥動作時(shí)間的關(guān)系，它們之間近似呈二次曲線的變化規(guī)律。

    圖 3 閥動作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系

    3 結(jié)論

    將雙自由度的閥芯運(yùn)用于氣動高速開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調(diào)整力矩馬達(dá)的調(diào)隙螺釘可改變導(dǎo)閥（旋轉(zhuǎn)自由度）開啟面積大小。改變閥芯中央臺肩的寬度變化，可使閥成為二通型或三通型。

    閥門的通徑為 φ6，閥門的開關(guān)時(shí)間為 1.3ms 左右。導(dǎo)閥的開關(guān)時(shí)間隨系隙調(diào)整螺釘?shù)母淖兌兓凑{(diào)整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時(shí)間。對導(dǎo)閥而言，行程越小則開關(guān)時(shí)間越短，然而對主閥卻不是這樣的，只有當(dāng)銜鐵的行程達(dá)到某一值時(shí)，主閥的開啟時(shí)間最短。在機(jī)械加工精度保證的前提下，增大導(dǎo)閥的面積梯度，減小行程，可縮小閥的開關(guān)時(shí)間。

該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅(qū)動。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達(dá)輸出的機(jī)械功皆用于驅(qū)動閥芯，毋需克服彈簧力，從而使閥芯運(yùn)動時(shí)間較短。另一方面采用瞬間通電，較大的瞬間電流使閥芯快速動作，又不會引起馬達(dá)線圈發(fā)熱過劇而燒壞。由于機(jī)構(gòu)中沒有彈簧，從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題，這一點(diǎn)對脈寬調(diào)制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。

    綜上所述，將雙自由度的原理運(yùn)用于高速氣動開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，所設(shè)計(jì)的高速開關(guān)元件具有良好的性能，這種性能還可隨加工精度的提高而得到進(jìn)一步提高。