超高速电液比例阀的设计与实验研究

　　电液比例阀是电液比例控制系统的核心和主要功率放大元件。它采用模拟式电气-机械转换装置,将电信号转换为位移信号,按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。电液比例阀与电液伺服阀相比,虽然性能在某些方面还有一定的差距,但是其显著的优点是抗污染能力强,减少了由于污染而造成的工作故障,提高了液压系统的工作稳定性和可靠性,更适合于工业过程;同时,比例阀成本比伺服阀低,而且不包含敏感和精密的部件,更容易操作和保养,已获得广泛应用[1]。

　　电液比例阀由于电-机械转换器固有特性的限制,导致其无论在响应时间还是在响应速度上都不是很快[2],响应速度稍快的流量却比较小。目前国内外设计出的电液比例阀,频宽多数在100 Hz左右[3~5]。提高比例阀的性能指标如频响和线性度等,有助于提高比例阀控制系统的整体特性[6]。

　　为此,本文针对常规电液比例阀响应过低问题,设计出超高速电液比例阀,满足电液比例控制系统高速、高精度和抗污染的综合要求。

　　1　结构与原理

　　超高速电液比例阀结构如图1。图1中,线圈安装在推力线圈骨架上,线圈骨架与阀芯相连。

　　超高速电液比例阀控制原理如图2。图2中,输入电压信号ui经放大器放大后,加载到控制线圈,载流线圈连同推力线圈骨架在永磁体产生的恒定磁场中,受电磁力Fc作用,并与复位弹簧共同推动比例阀阀芯运动,产生与控制信号电压成比例的位移x,导致比例阀负载阀口打开。当电磁力Fc与弹簧力和液动阻力的合力Ff达到瞬态平衡时,比例阀阀口保持一定的开度,从而输出相应的控制流量Q。

　　阀芯组件由位移传感器检测位置误差,转换成信号电压,补偿到输入信号ui,作为纠偏电压ue,保证其保持在所需要的正确位置。线圈在磁场中所受电磁力Fc的大小和方向,取决于线圈中控制电流i的大小和方向。通过改变输入电压信号的方向,来控制阀芯运动方向,实现比例阀的换向功能。

　　2　力特性分析

　　对超高速电液比例阀的特性分析,主要从其力特性分析入手,研究比例阀的动静态性能。作用在阀芯上的力有驱动力、液动力、摩擦力、卡紧力、惯性力和弹簧力等。驱动力用于推动阀芯的运动,由动圈式电-机械转换器提供。摩擦力主要是粘性摩擦力,液动力又分稳态液动力和瞬态液动力。

　　2·1　阀芯驱动力

　　超高速电液比例阀阀芯由动圈式电-机械转换器直接驱动,与喷嘴挡板型电液伺服阀相比具有良好的耐污性。动圈式电-机械转换器根据载流线圈(动圈)在均匀磁场中受力原理而设计,其以较高的精度和响应速度、高线性、小滞环受到广泛关注,它可以产生同尺寸电磁阀2·5倍的电磁力[7]。