纯水比例溢流阀控制特性与补偿方法的研究

　　纯水液压是以过滤后的自来水为工作介质实现动力传递的新型绿色传动技术,具有环境友好、清洁安全、介质来源广泛且成本低、不可燃等优势[1].目前在细水雾灭火、水处理、核反应堆、钢铁、舰船、采掘、水下作业、食品加工等行业已有应用[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;水的低黏度,也带来了系统能量损失小,传动效率高的好处[3-6].但是,水的黏度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等物理性质,除了引起微生物附着和金属锈蚀等缺点外,还产生密封、摩擦、气蚀、水击等问题[7].应对这些问题,一方面可以通过提高阀的加工精度和质量,减小阀芯与阀套之间的配合间隙以减小泄漏,并提高摩擦副零件的表面加工质量以降低摩擦磨损;另一方面,有研究提出采用工程塑料和陶瓷等新材料,具有良好的耐磨、自润滑性能[8].例如,丹麦Danfoss公司的Nessie部门研制了压力等级为16 MPa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座式水压比例阀,压力等级为31·5MPa,采用了工程陶瓷阀芯或表面陶瓷喷涂工艺.这些阀都是采用带有衬套的锥阀和球阀结构,可以实现微小或零泄漏,但阀的线性度差,控制精度低.滑阀结构线性度好,但对加工要求更高,更容易出现卡死卡紧和摩擦磨损.通过设计新的结构,可以减小摩擦力和避免卡死.Takahashi等研制的三位四通纯水比例滑阀,采用特殊的滑阀阀芯静压支撑结构,同时应用电感式阀芯位移传感器,减小摩擦力和提高控制精度[9].Urata等研制的纯水伺服阀,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,获得较高的控制性能,额定压力7 MPa、额定流量80 L/min下频响可达10 Hz以上[10-12],缺陷是对污染极敏感,作用于阀芯上的摩擦力也使阀的滞环很大.

　　纯水比例滑阀的加工成本高昂,制约了工业应用.锥阀或球阀结构的纯水比例阀成本相对降低,但仍比油压比例阀价格上高出数倍.水液压比例控制阀的非线性问题,仅从元件结构改进和提高加工要求角度出发,克服的难度大、代价高.

　　纯水比例溢流阀是水液压比例压力控制的重要元件,其控制性能直接影响压力控制系统的功能、精度和稳定性.本文研究对象为TIEFENBACH公司的PDBV型纯水比例溢流阀,属座式三级结构,压力等级为31·5 MPa,加工要求较低.阀的频响较慢,仅1~3 Hz,线性度和控制精度低.根据阀的结构分析和静态试验曲线,在控制上提出新的补偿方法,可以在不增加成本的前提下,大幅提高稳态精度和动态特性.对此进行了控制器的设计和补偿效果的试验研究.