高压电-气流量伺服阀压力-流量特性分析

　　0 前言

　　气动系统具有洁净、易于操作和重量轻等优点,被广泛用于工业自动化场合。同其它传动方式相比,气动系统具有较大功率输出和相对较低廉的价格。传统的气动系统以开关控制为主,近几年,随着电子、材料、控制理论及传感器等科学技术的发展,气动比例/伺服控制技术也得到了快速的提高。以比例/伺服控制阀为核心组成的气动比例/伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控制,能够满足自动化设备的柔性生产要求^[1-2]。

　　为了充分利用和发挥气动伺服系统的独特优点,克服因工作介质可压缩性大造成的输出刚度和固有频率低等缺点,当前所采用的主要措施为:提高供气压力,即向中、高压气动技术发展,因此对作为高压气动伺服系统核心元件的高压电-气流量伺服阀的研制就显得至关重要。但由于高压气动系统中存在密封困难和有结露现象及对材料有特殊要求等,该任务技术含量高、难度大。

　　1 工作原理

　　理想零开口四通阀,当阀芯处在中间位置时, 4个节流口均关闭。当阀芯受力向左运动时,如图1(a), 1、4节流口打开, 2、3节流口仍关闭。高压气体经1节流口流入气缸I腔,形成高压腔。II腔的气体经节流口4与外界相通,形成低压腔。由于I、II两腔的压力差使活塞产生向左的输出力,其大小为A_pm=A(p₁-p₂)。这时控制桥路就变成了1、4节流口与负载串联的形式,如图1(b)所示。当阀芯向右运动时,控制桥路变成了3、2节流口与负载串联。

　　2 数学模型

　　稳态时阀输出的流量与输出的压力及阀的输入位移之间的关系称为阀的压力-流量特性,在分析阀的压力-流量方程之前作如下基本假设:

　　(1)所用气体遵守理想气体诸定律;

　　(2)气体经过阀中各节流口的流量特性均按收缩喷嘴的流量公式来计算;

　　(3)气缸中气体是均匀的,每一瞬时,腔中各点参数相等;

　　(4)气缸与外界和两腔之间没有漏气。

　　根据以上假设,由收缩喷嘴的流量公式可得图1所示零开口四通阀的压力-流量特性方程^[3]:

　　式中: X为无因次机械位移, ;

　　x_m为阀芯的最大位移量;

　　y>0为参考速度,;

　　q_m0为参考质量流量,;

　　q_v0为参考容积流量, ;

　　μ为流量系数,;

　　R为气体常数;

　　β₂为无因次面积梯度,;

　　ω₁、ω₂为面积梯度,阀的控制部件产生单位位移时,节流口增加的面积;