2D伺服螺旋阀芯大行程位置控制的分析研究

　　引 言

　　液压技术作为关键核心技术，随着中国的现代化建设中众多领域大型工程和装备的高速发展和规模的扩大，在水利水电、船舶港口、能源交通、冶金和重型机械等领域已成为先进技术应用和发展的中心。面对国外同类产品的高昂价格，势必要求我国必须掌握大流量控制阀的设计生产能力，才能满足巨大的市场需求。本文提出一种方案，即将2D伺服螺旋阀作为先导控制大流量阀，提高阀的性能和工作的综合能力。浙江工业大学阮健研究小组自20世纪90年代开始，先后研制出了多种2D数字阀^[1]，形成较为系统完整的2D阀设计方法。

　　1 工作原理

　　2D 数字伺服阀采用螺旋伺服机构^[2]原理实现电-机械信号转换，并控制阀芯运动，如图1所示。步进电机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度范围内正、反向转动。在阀芯的左端台肩上轴对称地开设两对与进油相通的高压孔和回油相通的低压孔，在阀孔左端的内表面上轴对称地开设一对螺旋槽，其左端与阀左腔(敏感腔)相通。当阀芯在阀孔中处于正常的工作位置时，高压孔与低压孔分别处于螺旋的两侧，并且与螺旋槽之间形成微小的弓形缝隙，这两个微小的弓形面积串联而成阻力半桥，阀的右腔与进油相通，其面积为阀芯左端受力面积的一半。当阀芯相对静止时，阀左腔的压力近似为进油压力p_s的一半，这时高低压孔与螺旋槽之间所形成的微小的弓形面积相等。当步进电机驱动阀芯转动使得高压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积增大、低压孔与螺旋槽之间形成的弓形面积减小，则左敏感腔的压力升高，阀芯所受的轴向力失去平衡，阀芯向右移动直到高低压孔又回到静止时与螺旋槽之间所处的相对位置(此时，两微小弓形面积相等，左腔压力恢复为入口压力的一半)。当步进电机驱动阀芯反方向转动，则左敏感腔的压力下降、阀芯左移。

　　通过上述分析，可以看出2D数字伺服阀是一个双级位置反馈液压流量伺服控制阀。从工程控制的角度分析，该阀是一个螺旋伺服机构，输入是阀芯的角位移，输出是阀芯的线性位移。阀芯的轴向位移与角位移成正比关系。从开环角度看，伺服螺旋机构相当于位移阀机构，其输入信号为圆孔与阻尼槽重叠的弓形面积，而输出则为阀芯的轴向位移。

　　阀芯高低压圆孔与阀套螺旋槽之间的重叠弓形面积取决于两者之间的相对转动位置关系，如图2所示。

　　弓高：

　　式中，h₀初始重叠面积的弓形高度;h 重叠面积的弓形高度。

　　弓形重叠面积为：