水压数字节流阀动态特性的计算机仿真研究

　　新型水压数字节流阀作为液压系统中重要的阀类元件之一,其研究已受到广泛的关注。由于水介质存在润滑性差、易腐蚀、导电性强、泄漏量大、汽化压力高等问题,使得水压数字节流阀的研究与开发存在许多技术难题。本文结合中高压(14MPa)水压数字节流阀的结构,利用仿真技术对其动态特性进行研究和分析。

　　1 水压数字节流阀的结构原理

　　水压节流阀是水液压系统中重要的控制元件之一,其在系统中可用作调节流量、给泵加载等。图1为直控式数字水压节流阀的结构示意图,在该水压阀设计中,采用了特殊设计的阀口截面几何形状、阀腔结构,以及表面经过特殊处理的耐蚀不锈材料组合,能够较好地防腐蚀、气蚀以及冲蚀破坏。

　　水压节流阀的有关参数如下:

　　(1)工作压力: 14MPa; (2)工作流量: 40L/min;(3)工作压力下的内泄漏允许值:0.4L/min。

　　数字水压节流阀的工作原理是:步进电机按计算机的指令而转动,通过滚珠丝杆变为轴向位移,使节流阀芯打开阀口,从而控制流量。该阀有两个面积梯度不同的节流口,阀芯移动时首先打开右节流口,由于非全周边通流,故流量很小;继续移动时打开全周边通流的左节流口,流量增大。阀开启时的液动力可抵消一部分向右的液压力。此阀从节流阀芯、阀套和连杆的相对热膨胀中获得了温度补偿。零位移传感器的作用是:每个控制周期结束时,控制阀芯自动返回零位,以保证每个工作周期都从零位开始,提高阀的重复精度。

　　2 数字节流阀数学模型的建立

　　2.1 信号输入

　　这是由8751单片机发出的脉冲信号,经过放大环节,驱动步进电机旋转,这一部分可看作是比例环节。步进电机的角位移:

　　式中:θ-步进电机旋转的角位移;

　　θ_s-步进电机的步进角,由于采用三相六拍的通电方式,因此步距角取1.5b;

　　N-步进电机的脉冲数。

　　2.2 阀芯的位移

　　步进电机上的螺母的旋转带动阀芯的移动,这两者是通过螺纹连接,这样就可以把步进电机的旋转运动变成阀芯的直线运动。

　　式中:x_v-阀芯的位移,m;

　　P-螺旋副的螺距,m;

　　θ-螺母的角位移(步进电机的角位移),度。

　　2.3 步进电机的数学模型

　　步进电机静态力平衡方程为:

　　式中:F_em-电机的最大静态电磁推力,对于混合式步进电机,其值正比于相电流Im;

　　τ-步进电机的齿距,m;

　　F_e-步进电机输出的电磁推力,N;