一种2D三通数字伺服换向阀的理论和实验研究

　　电液伺服阀是电液伺服系统中最重要最基本的组成部分[1].20世纪80年代以来,随着电液伺服控制技术在工业中的广泛应用,液压行业的专家和工程师们开始寻找新型的电液控制元件及驱动方案,以取代加工要求高、抗污染能力差的喷嘴挡板伺服阀.电液控制技术实现了从模拟控制方式向数字控制方式的飞速转变.电液数字控制的实现方法一般有两种,一是模拟式控制方式,二是直接数字控制方式.模拟式控制方式,如伺服阀或比例阀,通过D/A转换实现其数字控制,这种方法由于采用电—机械转换元件为力矩(力)马达或比例电磁铁,受固有磁滞的影响,外控特性表现出滞环;此外易受环境温度变化的影响.直接数字控制方式是采用步进电机作为电—机械转换元件,将输入信号转换为与步数成比例的输出信号实现控制,由步进电机自身的特点所决定,这类阀具有重复精度高、无滞环等优点[2].

　　2D三通数字伺服换向阀便是一种采用步进电动机驱动的、由数字脉冲信号控制的步进式数字伺服电液控制元件.

　　1　2D三通数字伺服换向阀的设计

　　1.1　工作原理

　　2D三通数字换向阀的工作原理结构简图如图1所示.在阀芯的左端台肩上轴对称地开设一对与进油(ps与a口)相通的高压孔和一对与回油(T1)相通的低压孔,在阀套左端的内表面上轴对称地开设一对螺旋,其左端与阀左端敏感腔相通.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槽的两侧,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ps相通,其工作面积为阀芯左端面工作面积的一半;当阀芯相对静止时,敏感腔的压力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高低压孔与螺旋槽之间所形成的微小的弓形面积相等的位置,阀芯停止移动.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.

　　工作时,步进电机通过传动机构驱动阀芯在一定的角度范围内顺时针、逆时针转动,使阀芯在轴向自由度上左右移动,从而实现换向的控制[3-5].

　　1.2　数学模型

　　2D三通数字换向阀的理论分析其假定前提条件为:系统进油压力ps为常量,低压孔与系统回油腔相通,压力为零.

　　从高压孔流入敏感腔的流量为

　　式中:Cd为流量系数;ρ为油液密度;ps为系统压力;pc为敏感腔压力;A1为阻尼槽与高压孔的重叠面积.