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上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司

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滬工閥門(mén)

上海滬工閥門(mén)廠(chǎng)(集團)有限公司

摘要:2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥是采用具有兩個(gè)運動(dòng)自由度閥芯的雙級高速開(kāi)關(guān)閥,該閥由雙穩力矩馬達驅動(dòng)閥芯旋轉實(shí)現導閥功能,由氣體壓力差推動(dòng)閥的軸向運動(dòng)。本文在介紹 2D 高速開(kāi)關(guān)閥的基礎上,對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗研究,結果表明其具有很高的開(kāi)關(guān)特性。

關(guān)健詞高速開(kāi)關(guān)閥;力矩馬達;動(dòng)態(tài)特性

0 引言

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

此外,工程中的快速動(dòng)作機構(如機車(chē)緊急剎閘、電路快速切斷開(kāi)關(guān)等)的主要特點(diǎn)是瞬時(shí)釋放出大功率的能量:它們常用的驅動(dòng)方式有直接電磁驅動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種方式。其性能對照見(jiàn)表 1。從表中可以清楚看出,液壓或氣動(dòng)系統瞬時(shí)釋放大功率的特性遠優(yōu)于電磁驅動(dòng)的方式。而液壓或氣動(dòng)系統能量釋放是由開(kāi)關(guān)閥實(shí)現的,為了實(shí)現快速性,關(guān)鍵是提高閥的開(kāi)關(guān)速度。

表 1 三種驅動(dòng)元件快速性的對照
技術(shù)特性 類(lèi)別
直流電磁鐵 油缸 氣缸
單位面積作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
最高運行速度 小于 3m/s 5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s 音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
剎車(chē)緩沖特性 一般 較好
維護 容易 較難 容易
造價(jià) 造價(jià)與功率大小呈直線(xiàn)上升 較高 較低
輔助設備 直流電源 油源 氣源
實(shí)用瞬間功率 0~幾十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
作為快速驅動(dòng)元件的適用范圍 用于機-電轉換的光導級、低功率漏電開(kāi)關(guān) 工程車(chē)輛的車(chē)閘 適用于各種機械安全防護裝置、車(chē)閘

本文提出一種采用雙自由度閥芯構成的雙級氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥,在介紹 2D 高速開(kāi)關(guān)閥的基礎上,對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗研究。

1 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥

2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥采用雙自由度的設計思想,將導閥與主閥做在一個(gè)閥芯上,導閥由閥芯的旋轉自由度實(shí)現其功能,主閥口的開(kāi)度大小由閥芯的軸向滑動(dòng)控制,其基本結構見(jiàn)圖 1:

2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥
圖 1 2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥

閥芯的右腔為敏感腔,在閥芯的右端臺肩上開(kāi)設有 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;當力矩馬達驅動(dòng)閥芯轉動(dòng),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(dòng)下左移,使 Po 與 PL 溝通;當 b 與 c 口溝通時(shí),敏感腔處于低壓,閥芯右移,PL 與 Pa 溝通,閥芯是細長(cháng)狀的,轉動(dòng)慣量較小,容易實(shí)現快速擺動(dòng)。該閥為一三通換向閥,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。這種結構的閥實(shí)際上為二級結構,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(chēng)的結構。

閥芯的旋轉運動(dòng)由力矩馬達驅動(dòng)。力矩馬達主要由銜鐵、導磁體及磁鋼構成,具有雙穩記憶功能,其工作原理如下:銜鐵與導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(xiàn)圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場(chǎng),而當激磁線(xiàn)圈通電時(shí),則產(chǎn)生兩個(gè)環(huán)狀的封閉的磁場(chǎng),該磁場(chǎng)將使兩個(gè)對角處的系隙的永磁體的磁場(chǎng)分別得以加強和削弱,其結果使銜鐵快速擺動(dòng)。當銜鐵的端部到達閉合位置時(shí),線(xiàn)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具有穩態(tài)記憶功能。當線(xiàn)圈通以相反方向的脈沖電流時(shí),則銜鐵反向擺動(dòng)。由于該力矩馬達具有穩態(tài)記憶功能,可由強電流脈沖驅動(dòng),因而可確保其快速響應特性。

2 實(shí)驗研究

將力矩馬達與閥體相聯(lián)構成雙級高速開(kāi)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(xiàn)示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線(xiàn)圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形,實(shí)測的波形見(jiàn)圖 2。顯而易見(jiàn),閥芯與電磁鐵相聯(lián)后,銜鐵的動(dòng)作時(shí)間要略為多一些,但由于該閥芯的轉動(dòng)慣量?jì)H為銜鐵轉動(dòng)慣量的 1/3,所以動(dòng)作時(shí)間的增加并不多。相聯(lián)后實(shí)測得力馬達最大響應脈沖信號頻率為 190Hz(驅動(dòng)電壓 30V)。

2D 雙級高速開(kāi)關(guān)閥的試驗結果
圖 2 2D 雙級高速開(kāi)關(guān)閥的試驗結果

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

表 2 力馬達系隙與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系
θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37

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

閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系
圖 3 閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系

3 結論

將雙自由度的閥芯運用于氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥的設計是成功的,它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調整力矩馬達的調隙螺釘可改變導閥(旋轉自由度)開(kāi)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(mén)的通徑為 φ6,閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間為 1.3ms 左右。導閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間隨系隙調整螺釘的改變而變化,即調整銜鐵的擺角行程可以改變開(kāi)啟時(shí)間。對導閥而言,行程越小則開(kāi)關(guān)時(shí)間越短,然而對主閥卻不是這樣的,只有當銜鐵的行程達到某一值時(shí),主閥的開(kāi)啟時(shí)間最短。在機械加工精度保證的前提下,增大導閥的面積梯度,減小行程,可縮小閥的開(kāi)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動(dòng)。一方面由于回程不存在彈簧,則力矩馬達輸出的機械功皆用于驅動(dòng)閥芯,毋需克服彈簧力,從而使閥芯運動(dòng)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(dòng)作,又不會(huì )引起馬達線(xiàn)圈發(fā)熱過(guò)劇而燒壞。由于機構中沒(méi)有彈簧,從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問(wèn)題,這一點(diǎn)對脈寬調制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。

綜上所述,將雙自由度的原理運用于高速氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的設計是成功的,所設計的高速開(kāi)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。


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