2D氣動高速開關閥介紹與動態特性實驗研究及結論
2D氣動高速開關閥介紹與動態特性實驗研究及結論
0 引言
脈寬調制在流體動力系統應用的基本思想就是利用高速開關元件，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、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 | 差 | 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 氣動高速開關閥
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，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
2D氣動高速開關閥介紹與動態特性實驗研究及結論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。