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        氣動快速開關閥介紹與動態特性實驗研究

        [來源:原創] [作者:嘉泰閥門] [日期:14-05-13] [熱度:]

        引言

        脈寬調制在流體動力系統應用的基本思想就是利用快速開關元件,通過控制其開關狀態的占空比數的不同,從而控制閥口開度的時間平均值。對于流體控制系統,一般對其響應速度皆有一定的要求,因而在工作過程中調制頻率應盡可能地高,即要求閥的開關時間很短。

        此外,工程中的快速動作機構(如機車緊急剎閘、電路快速切斷開關等)的主要特點是瞬時釋放出大功率的能量:它們常用的驅動方式有直接電磁驅動、液壓和氣動三種方式。其性能對照見表 1。從表中可以清楚看出,液壓或氣動系統瞬時釋放大功率的特性遠優于電磁驅動的方式。而液壓或氣動系統能量釋放是由開關閥實現的,為了實現快速性,關鍵是提高閥的開關速度。

        表 1 三種驅動元件快速性的對照
        技術特性 類別
        直流電磁鐵 油缸 氣缸
        單位面積作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
        最高運行速度 小于 3m/s 5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s 音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
        剎車緩沖特性 一般 較好
        維護 容易 較難 容易
        造價 造價與功率大小呈直線上升 較高 較低
        輔助設備 直流電源 油源 氣源
        實用瞬間功率 0~幾十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
        作為快速驅動元件的適用范圍 用于機-電轉換的光導級、低功率漏電開關 工程車輛的車閘 適用于各種機械安全防護裝置、車閘

        本文提出一種采用雙自由度閥芯構成的雙級氣動高速開關閥,在介紹 2D 高速開關閥的基礎上,對其動態特性進行實驗研究。

        1 氣動快速開關閥

        2D 氣動高速開關閥采用雙自由度的設計思想,將導閥與主閥做在一個閥芯上,導閥由閥芯的旋轉自由度實現其功能,主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動控制,其基本結構見圖 1:


        圖 1 2D 氣動高速開關閥

        閥芯的右腔為敏感腔,在閥芯的右端臺肩上開設有 a、b 口,a 口與 Po 相通;b 口與大氣 Pa 口相通;在閥座孔右端經通道 c 與敏感腔相通;閥左腔經通道 d 與 PL 相通;當力矩馬達驅動閥芯轉動,使 a 與 c 通時,則敏感腔處于高壓狀態,這時閥芯將在壓力推動下左移,使 Po 與 PL 溝通;當 b 與 c 口溝通時,敏感腔處于低壓,閥芯右移,PL 與 Pa 溝通,閥芯是細長狀的,轉動慣量較小,容易實現快速擺動。該閥為一三通換向閥,若閥芯中間的臺肩寬度大于閥孔環形槽的寬度,則該閥為二通型。這種結構的閥實際上為二級結構,PL 口可以有較大的流量輸出,若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號。為了保證閥所受的徑向力平衡,a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱的結構。

        閥芯的旋轉運動由力矩馬達驅動。力矩馬達主要由銜鐵、導磁體及磁鋼構成,具有雙穩記憶功能,其工作原理如下:銜鐵與導磁體處于正常的工作位置時,形成四個工作系隙,銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場,而當激磁線圈通電時,則產生兩個環狀的封閉的磁場,該磁場將使兩個對角處的系隙的永磁體的磁場分別得以加強和削弱,其結果使銜鐵快速擺動。當銜鐵的端部到達閉合位置時,線圈的電流切斷,銜鐵在磁鋼吸力的作用下,其位置保持不變。這便使得該力矩馬達具有穩態記憶功能。當線圈通以相反方向的脈沖電流時,則銜鐵反向擺動。由于該力矩馬達具有穩態記憶功能,可由強電流脈沖驅動,因而可確保其快速響應特性。

        2 實驗研究

        將力矩馬達與閥體相聯構成雙級高速開關閥,采用電渦流傳感器測量閥芯位移,閥芯最大位移為 0.5mm;用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形,實測的波形見圖 2。顯而易見,閥芯與電磁鐵相聯后,銜鐵的動作時間要略為多一些,但由于該閥芯的轉動慣量僅為銜鐵轉動慣量的 1/3,所以動作時間的增加并不多。相聯后實測得力馬達最大響應脈沖信號頻率為 190Hz(驅動電壓 30V)。


        圖 2 2D 雙級高速開關閥的試驗結果

        表 2 給出閥動作時間與力馬達初始系隙之間的關系(壓力為 0.8MPa):從表中可以看出當 θ0 為 0.2 度左右時,閥的動作時間最短。當系隙增大時,馬達的動作時間增大;當系隙減小時,導閥開度較小,推動閥芯運動的供氣不足,這兩種因素皆使閥動作時間增大。

        表 2 力馬達系隙與閥動作時間的關系
        θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
        tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37

        圖 3 給出了供氣壓力與閥動作時間的關系,它們之間近似呈二次曲線的變化規律。


        圖 3 閥動作時間與供氣壓力的關系

        3 結論

        將雙自由度的閥芯運用于氣動高速開關閥的設計是成功的,它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調整力矩馬達的調隙螺釘可改變導閥(旋轉自由度)開啟面積大小。改變閥芯中央臺肩的寬度變化,可使閥成為二通型或三通型。

        閥門的通徑為 φ6,閥門的開關時間為 1.3ms 左右。導閥的開關時間隨系隙調整螺釘的改變而變化,即調整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時間。對導閥而言,行程越小則開關時間越短,然而對主閥卻不是這樣的,只有當銜鐵的行程達到某一值時,主閥的開啟時間最短。在機械加工精度保證的前提下,增大導閥的面積梯度,減小行程,可縮小閥的開關時間。

        該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅動。一方面由于回程不存在彈簧,則力矩馬達輸出的機械功皆用于驅動閥芯,毋需克服彈簧力,從而使閥芯運動時間較短。另一方面采用瞬間通電,較大的瞬間電流使閥芯快速動作,又不會引起馬達線圈發熱過劇而燒壞。由于機構中沒有彈簧,從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題,這一點對脈寬調制狀態下工作的閥尤為重要。

        綜上所述,將雙自由度的原理運用于高速氣動開關閥的設計是成功的,所設計的高速開關元件具有良好的性能,這種性能還可隨加工精度的提高而得到進一步提高。


         

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