纯水比例溢流阀静态特性的仿真与试验

　　水液压技术以过滤后的自来水或海水作为工作介质实现动力传递,具有介质来源广泛、使用成本低、环境友好、清洁安全等独特优势[1],是21世纪的新型绿色传动技术,也是国际上流体传动及控制领域最新的发展方向之一.目前水液压传动技术在水处理、细水雾灭火、核反应堆、舰船、水下作业、食品加工等行业已有广泛的应用[2-3].由于水的弹性模量大,比热容高,在理论上,水液压比例伺服控制系统的动态响应快、控制刚度大、温漂小,水的黏度低,系统的能量损失小,传递效率高^[4-6].

　　但是,水的黏度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等问题,除了引起微生物附着和金属锈蚀,还产生密封、摩擦、气蚀、水击等问题[7].密封与润滑问题提高了比例阀的加工精度要求,并且使控制的非线性问题严重.为克服这些难题,有研究机构提出采用工程塑料和陶瓷等新材料,设计了一些新结构.丹麦Danfoss公司的Nessie部门研制了压力等级16MPa的纯水比例节流阀;芬兰HYTAR公司、坦佩雷工业大学以及德国的Hauhinco公司研制了球型阀芯的水压比例座阀,采用工程陶瓷阀芯,其压力等级可达31·5MPa,频响在1~3 Hz,控制精度低[8];日本Ebara公司研制的三位四通纯水比例滑阀如图1所示,采用电感式阀芯位移传感器和特有的滑阀阀芯静压支撑,减小了摩擦力,提高了控制精度[9];日本上智大学、神奈川大学和Ebara公司共同研制的纯水伺服阀,采用喷嘴挡板阀与滑阀阀芯静压支撑结合的结构,阀芯和阀套采用工程陶瓷材料,获得了较高的控制性能,额定压力7MPa,额定流量在80 L/min,下的频率响应为10 Hz以上[10-12],对污染的敏感度高,滑阀结构线性度好,但静压支撑使泄漏量增大,同时加工成本高昂,限制了工业应用.

　　水液压比例控制的非线性从元件结构和加工上克服难度大,代价高.根据纯水比例控制阀的控制特性,通过结构和仿真分析,可以获得结构、加工等方面影响阀的静态特性的关键因素.本文以TIEFEN-BACH的PDBV型纯水比例溢流阀为对象,仿真分析了阀的静态特性,并进行了试验对比.

　　1　结构与数学模型

　　与同类油压阀相比,纯水比例溢流阀各运动副润滑性差,为防止内、外泄漏, PDBV阀采用O型圈周向压紧密封,静摩擦力大.一方面,各阀芯及电磁铁处摩擦力大于同结构油压阀,在仿真模型中应充分考虑;另一方面,在结构上有杠杆力放大、阀口形式、阀芯异型等特点.图2为纯水比例溢流阀的结构,该阀为3级结构,包括1个比例节流先导级和1个先导式溢流阀.为减小静摩擦力的影响,比例先导级用杠杆放大比例电磁铁的输出力,通过推杆推动陶瓷球阀芯,打开或关闭球阀阀口,调节溢流阀先导敏感腔的压力.先导式溢流阀包括1个具有异型阀口的主阀和1个锥形阀口的先导阀,主阀芯和溢流阀两级之间有2个固定液阻R1和R2.溢流阀主级采用异型阀口,目的是抑制气蚀的产生[13],区别于普通油压阀,给建模带来困难,可以在AMESim中用组合阀口替代解决. PDBV阀阀口结构均为座式,采用锥面或球面线密封降低内泄漏,是低黏度的水液压提高密封性的主要方式之一.