电液微小数字阀

　　1　引言

　　随着现代工业生产规模的扩大和自动化程度的提高,微机控制系统在现代工业中占有越来越重要的地位。以往的流体控制系统通常结构较大,其应用在许多领域受到限制,比如医疗、家具等方面。微小流体控制系统由于其输出功率大、体积小、重量轻、频率响应高、精度高的特点,应用场合越来越多。且电液微小阀数字化后,具有可靠性高、成本低、调速范围宽、对介质污染不敏感和易于微机控制等优点,同时,由于可以采用步进电机作为电-机接口,所以基本消除了滞环非线性的影响,而对于由摩擦力等因素产生的非线性,可由算法软件补偿的办法来消除其影响[1],所以,电液微小阀可以采用简单的结构,有利于缩小体积,减轻重量,进一步提高工作的可靠性。

　　2　电液微小数字阀

　　电液微小阀的结构如图1所示,该阀为直动式数字电液伺服阀,步进电机的输入通过一个偏心轮机构作用于阀芯,偏心轮机构的旋转运动转化为阀芯的直线运动,从而实现步进电机对阀芯运动的直接控制。直动式数字电液伺服阀是通过步进电机对阀芯进行直接驱动,从而对阀芯的开度进行控制。在这个直动式电液伺服阀的运动过程中,阀口的最大开度为0.4mm,轮机构的偏心距为0.2 mm。

　　节流口采用轴向缝隙式节流口,阀套上圆周对称开孔,孔的形状为方形,阀芯端部与该孔形成节流缝隙,轴向运动阀芯时可以改变节流口面积,这种节流口属于薄壁小孔,流量对温度变化不敏感。此外,在大流量时水力半径大,小流量时稳定性好[2]。

　　2.1　转动机构的静态特性分析

　　偏心轮与阀心的运动可以用图2来分析。

　　r为小圆的直径,R为大圆的直径,e为两圆的偏心距;p为小圆在xoy坐标系统中,小圆与阀芯的接触点;p′为小圆在转动θ角后,小圆与阀芯的接触点;x′o′y′为xoy坐标系统经转动θ角后,产生的新的坐标系统。由上图分析可以得到阀芯的开口与偏心轮转角的关系为:

　　(1)位移　偏心轮与阀芯接触点p在xoy坐标系中,轴向位移和角度变化的关系由MATLAB[3]仿真结果如图3a所示(忽略以下因素:1、摩擦力2、卡紧力3、液动力),由图3a可知,在-0.5∏和0.5∏之间,位移与角度呈现较好的线性关系。

　　(2)速度　x=e.sin(θ);上式对t求导:

　　位移速度和角度的关系如图3b所示。

　　2.2　运动的非线性分析

　　位移的非线性,根据非线性度的定义,得下式: