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阀门知识

气动高速开关阀简介及动态特性图
来源:www.hispht.tw作者:上海剑阀阀门有限公司日期:2019-04-05 17:07

引言

脉宽调制在流体动力系统应用的根本思想就是应用高速开关元件,经过控制其开关状态的占空比数的不同,从而控制阀口开度的时间均匀值。关于流体控制系统,普通对其响应速度皆有一定的请求,因此在工作过程中调制频率应尽可能地高,即请求阀的开关时间很短。

此外,工程中的快速动作机构(如机车紧急刹闸、电路快速切断开关等)的主要特性是瞬时释放出大功率的能量:它们常用的驱动方式有直接电磁驱动、液压和气动三种方式。其性能对?#21344;?#34920; 1。从表中能够?#32622;?#30475;出,液压或气动系统瞬时释放大功率的特性远优于电磁驱动的方式。而液压或气动系统能量释放是由开关阀完成的,为了完成快速性,关键是进步阀的开关速度。

表 1 三种驱动元件快速性的对照
技术特性 类别
直流电磁铁 油缸 气缸
单位面积作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
最高运转速度 小于 3m/s 5×油管截面积/油缸活塞面积 m/s 音速×气管截面积/气缸活塞面积 m/s
刹车缓冲特性 普通 较好
维护 容易 较难 容易
造价 造价与功率大小呈直线上升 较高 ?#31995;?/td>
辅助设备 直流电源 油源 气源
适用霎时功率 0~几十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
作为快速驱动元件的适用范围 用于机-电转换的光?#25216;丁?#20302;功率漏电开关 工程车辆的车闸 适用于各种机械平安防护安装、车闸

本文提出一种采用双自在度阀芯构成的双级气动高速开关阀,在引见 2D 高速开关阀的根底上,对其动态特性停止实验研讨。

1 气动高速开关阀

2D 气动高速开关阀采用双自在度的设计思想,将导阀与主阀做在一个阀芯上,导阀由阀芯的旋转自在度完成其功用,主阀口的开度大小由阀芯的轴向滑动控制,其根本构造见图 1:

2D 气动高速开关阀
图 1 2D 气动高速开关阀

阀芯的右腔为敏感腔,在阀芯的右端台肩上开设有 a、b 口,a 口与 Po 相通;b 口与大气 Pa 口相通;在阀座孔右?#21496;?#36890;道 c 与敏感腔相通;阀左腔经通道 d 与 PL 相通;当力矩马达驱动阀芯转动,使 a 与 c 通时,则敏感腔处于高压状态,这时阀芯将在压力推进下左移,使 Po 与 PL 沟通;当 b 与 c 口沟通时,敏感腔处于低压,阀芯右移,PL 与 Pa 沟通,阀芯是细长状的,转动惯量较小,容易完成快速摆动。该阀为一三通换向阀,若阀芯中间的台肩宽度大于阀孔环形槽的宽度,则该阀为二通型。这种构造的阀?#23548;?#19978;为二级构造,PL 口能够有较大的流量输出,若不需求大流量可将 PL 口堵死而直接从由端盖的 e 口引出压力信号。为了保证阀所受的?#26029;?#21147;均衡,a、b 和 c 口及通道均采用轴对称的构造。

阀芯的旋转运动由力矩马达驱动。力矩马达主要?#19978;?#38081;、?#21363;?#20307;及磁钢构成,具有双稳记忆功用,其工作原理如下:衔铁与?#21363;?#20307;处于正常的工作位置时,构成四个工作系隙,衔铁上有一激磁线圈。磁钢在系隙中构成垂直向?#36335;较?#30340;磁场,而当激磁线圈通电时,则产生两个环状的封锁的磁场,该磁场将使两个对角处的系隙的永磁体的磁场?#30452;?#24471;以增强和削弱,其结果使衔铁快速摆动。当衔铁的?#30636;?#25269;达闭合位置时,线圈的电流切断,衔铁在磁钢吸力的作用下,其位置坚持不变。这便使得该力矩马达具有稳态记忆功用。当线圈通以相反方向的脉冲电流时,则衔铁反向摆动。由于该力矩马达具有稳态记忆功用,可由强电流脉冲驱动,因此可确保其快速响应特性。

2 实验研讨

 

将力矩马达与阀体相联构成双级高速开关阀,采用电涡传播感器丈量阀芯位移,阀芯最大位移为 0.5mm;用紫外线示波器记载输入电压 U1、U2 和线圈两端输出电压 UL 及电流 IL 的波形,实测的波形见图 2。显而?#20934;?#38400;芯与电磁铁相联后,衔铁的动作时间要略为多一些,但由于该阀芯的转动惯量仅为衔铁转动惯量的 1/3,所以动作时间的增加并不多。相联后实测得力马达最大响应脉冲信号频率为 190Hz(驱动电压 30V)。

2D 双级高速开关阀的实验结果
图 2 2D 双级高速开关阀的实验结果

表 2 给出阀动作时间与力马达初始系隙之间的关系(压力为 0.8MPa):从表中能够看出当 θ0 为 0.2 度左右时,阀的动作时间最短。当系?#23545;?#22823;时,马达的动作时间增大;当系隙减小时,导阀开度较小,推进阀芯运动的供气缺乏,这两种要素皆使阀动作时间增大。

表 2 力马达系隙与阀动作时间的关系
θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37

图 3 给出了供气压力与阀动作时间的关系,它们之间近似?#35782;?#27425;曲线的变化规律。

阀动作时间与供气压力的关系
图 3 阀动作时间与供气压力的关系

3 结论

 

将双自在度的阀芯运用于气动高速开关阀的设计是胜利的,它既适用于小通径也适用于较大通径。调整力矩马达的调?#22581;?#38025;可改动导阀(旋转自在度)开启面积大小。改动阀芯中央台肩的宽度变化,可使阀成为二通型或三通型。

阀门的通径为 φ6,阀门的开关时间为 1.3ms 左右。导阀的开关时间随系隙调整螺钉的改动而变化,即调整衔铁的摆?#20999;?#31243;能够改动开启时间。对导阀而言,行程越小则开关时间越短,但是对主阀却不是这样的,只要当衔铁的行程到达某一值时,主阀的开启时间最短。在机?#23548;?#24037;精度保证的前提下,增大导阀的面积梯度,减小行程,可减少阀的开关时间。

该阀速度较快的另一缘由是回程采用脉冲电流驱动。一方面由于回程不存在弹簧,则力矩马达输出的机械功皆用于驱动阀芯,毋需克制弹簧力,从而使阀芯运动时间较短。另一方面采用霎时通电,较大的霎时电流使阀芯快速动作,又不会惹起马达线圈发热过剧而烧坏。由于机构中没有弹簧,从而不存在弹性元件的疲倦毁坏的问题,这一点对脉宽调制状态下工作的阀尤为重要。

综上所述,将双自在度的原理运用于高速气动开关阀的设计是胜利的,所设计的高速开关元件具有良好的性能,这种性能还可随加工精度的进步而得到进一步进步。

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