一种新型液压高速开关阀的研究

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1、218机械设计．TOLTRNALOFMACHn',,u'F。DESIGN_种新型液压高速开关阀的研究陈宝江(北京建筑工程学院机电工程系。北京100044)●摘要：为满足大流量和快响应电液控制系统的需求，在分析现有液压高速开关阀技术基础上．设计一种新型阀，即由电磁线圈，超碰致伸缩材料棒和液压放大机构构成阀心驱动力马达．提高力马达的输出力、快速性和增大阀心位移，从而既提高阀的输出流量叉能保证阀的高频响特性．关键词：超磁致力马达；液压高速开关阀；流量一压力特性；计算机仿真20世纪九十年代以来，鉴子高速开关阀良好的计算机接口和低成本特性。

2、汽车控制系统等工程机械系统对高速开关阀台勺需求越来越大，一些专家学者对高速开关阀的驱动技术、材料技术、机械结构技术展开了研究。这一时期，国家经济建设发展迅速，特别是汽车工业和建筑机械行业，因此国内对高速开莱阀的研究比国外活跃许多，也取得了一些有价值的研究成果．这一时期的研究焦点集中在如何使阀同时具有高频响和大流量特性。就此目标而言，-比较领先的研究成果是：①采用二级阀加大阀芯直径扩大通流阀口以提高流量；⑦阀芯阀套双动作。不影响快速性，扩大通流阀口。提高流量；③采用新型超磁致伸缩材料作为力马达，通过杠杆机构驱动阀芯运动，使阀芯产生较

3、大位移，获得较大阀13通流面积；④多位数字调制型开关剐Ⅻ．但是，上述研究成果存在着如下问题：①二级阀虽流量可以提高，但是快速性受到限制，可靠性降低；②阀芯阀套双动作阀可以提高流量，也不影响快速性。但制造工艺较复杂；③新型超磁致变形力马达．杠杆阀，可以实现高频响和较大流量，但杠杆机构复杂，体积较大，可靠性降低。流量提高有限：④多位数字调制高速开关阀，驱动结构复杂，改变了高速开关阀原来脉冲量输入平均液压流量输出的本质原则；⑤对减小阀励磁电路时间常数，或者说从电路角度改善阀快速性，研究很少。综上所述，作者认为，在保证快速性要求前提下，应

4、该研究开发能够实现大流量的新结构液压高速开关阀，以满足日益强劲的对大流量高频响的需求1总体技术设计如图l所示，新型液压高速开关阀主要由控制节流口的锥阀阀心4、阀心位移液压放大机构5、超磁致伸缩棒11和电磁线圈7等零件构成．其工作原理为：当电磁线圈通电时，在超磁致伸缩棒周围形成磁场，超磁致伸缩棒伸长，形成较大驱动力，推动液压放大机构活塞向左移动．由于活塞右腔有效工作面积远大于左腔，使得活塞左腔压力油行程远大于活塞行程，压力油驱动阀心又端，阀心位移远大于超磁致伸缩棒伸长变形，可以使阀13开度较大，阀输出较大流量．同时，由于从超磁致伸缩

5、棒到阀心的连接，刚性大，超磁致伸缩棒的变形力很大且频响高(IC)I)0F-Iz以上)Ⅲ，因此，这种结构虽然增加了移动部分的质量，但对阀快速响应特性不会带来不利影响．同时，采用高速电子驱动电路，进一步保证阀的快速响应特性．1．紧定螺钉；2．预压弹簧：l，3．锥阕芯导向装置：4．锥阀芯；5．液压放大机构：6．冷却管；7电磁线圈；8．线圈骨架；9．上阀盖：10．压板；11．超磁致伸缩棒；12．输出推杆；13．端盖；14．螺栓；15．定位锖；16．下阀盖图1新型液压高速开关阀结构原理2快速电子驱动电路设计高速开关阀的响应过程，应从PwM信

6、号施加到电子功率驱动电路输入端开始算起，因此电子驱动电路的快速性也是重要指标。同时，作为功率驱动电路，应追求其本身的低功耗特性．影响励磁电流建立和磁场形成的快慢的主要和关键因素是线圈电路时间常数‘．因此，要考虑有效降低这个时间常数e．电子驱动和励磁电流建立电路如图2所示．该电路主要由比较器、cMOS放大器2、届和阀励磁线圈构成。工作原理和特性说明如下：当计算机输出的P删电压信号￡“到达比较器同相输入端时，比较器输出高电平，铡os管五导通，五截止，阀线圈通电：当‰电压信号为低电平时，比较器输出低电平时，兀导通，7；截止，线圈通过届、

7、尼形成的回路迅速放电．作者简介：陈宝江．男．博士．北京建筑工程学院机电工程系副教授，主要研究方向为机电一体化控制系统和电液控制技术．陈宝江：一种新型液压高速开关阀的研究219图2新型高速开关阀电子驱动电路此电路可以通过调节届，调节电路的时间常数和线圈电流的大小．尼调大，电流变小，时间常数变小，励磁电流迅速建立，但磁场变弱。届调小，电流变大，时间常数变大，励磁电流建立变缓，但磁场变强。因此，应综合考虑速度和力的要求，将尼调整到适当大小．采用CMOS电路，结构简单，功耗低，快速性也符合要求．采用前置电压比较器，可以通过调整门限值，保证

8、输入端电压降低到rrL低电平时，比较器可靠地翻转为低电平，保证驱动过程稳定可靠。3阀特性仿真分析根据设计要求，阀额定流量为521／rain。通过对阀建模和理论分析，阀心锥面与圆形进有口相交圆直径为10mm,阀心位移约O．57mm，T作压力为15MP