高速开关阀特性试验研究

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(1.太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室， 山西 太原 030024；2.太重榆次液压工业有限公司技术中心， 山西 榆次 030600)

引言

随着计算机技术的充分发展和应用，电液数字控制技术已成为实现机电液一体化的重要手段，是实现对液压系统进行高速、高精度控制的理想方法，目前已应用于汽车、航空航天、冶金、工程机械等重要领域[1]。高速开关阀由于价格低廉、抗污染能力强、节流损失小及重复性好等优点，成为实现电液数字控制技术的关键元件。由于自身结构的限制，空载流量不超过10 L/min，目前只用于小流量控制。基于高速开关阀各种先导控制，正在不断改进现有装备或设计新设备[2,3]。

文献[4]对HSSV高速开关阀的压力特性进行了理论和实验研究；李玉贵等[5]对HSV高速开关阀进行了动静态特性理论分析和空载压力特性实验研究；苏明[6]在AMESim中建立了HSV高速开关阀模型，对动静态特性进行仿真研究，并且设计了适应供油口压力变化控制器；傅林坚[7]提出预充开启电流、反接卸荷电路思想来提高动态响应，并设计了专用测试装置；文献[8]设计了三电源驱动电路改进高速开关阀的开关响应。

考虑高电压对高速开关阀的伤害，采用单电源24 V 供电，高低双电压驱动，以单片机为控制核心建立了高速开关阀测试平台，对其进行测试试验，并详细分析了主要影响因素对动静态特性的影响。

1 高速开关阀工作原理

如图1所示为HSV3143S3二位三通高速开关阀结构简图，由电磁铁、供油球阀、回油球阀、球阀阀座、分离销等组成。与普通开关阀相比，高速开关阀的主要优点在对于控制信号的快速响应。通过给线圈加脉宽调制(PWM)信号，就能够控制阀芯的运动方向和开关频率，从而达到控制口(A)与供油口(P)及回油口(T)之间交替切换。当A与P接通时，P工作油液经A和工作管路到达执行装置；当A与T接通时，执行装置的油液经A、T流到油箱。由于载波频率很小，可控脉宽非常小，输出流量也很小，因此，可用平均流量代表阀的瞬态流量。在一个载波周期T内的平均流量Q为：

Q=DQmax即:Q/Qmax=D

(1)

式中：D为占空比，D=TP/T；TP为脉冲宽度；T为载波周期；Qmax为通过高速开关阀的最大流量。

1.电磁铁 2.回油球阀 3.球阀阀座 4.分离销 5.供油球阀图1 HSV高速开关阀结构简图

2 高速开关阀测试试验平台

为测试高速开关阀的动静态特性，建立了如图2的测试系统。主要包括：计算机、单片机、驱动控制器、液压系统、压力传感器、流量传感器、数据采集设备等。被测高速开关阀、 压力传感器安装在专门设计的阀块上，控制腔通过软管接回油箱。高速开关阀供油口、控制口分别接压力传感器，用于检测压力变化。在回油管路上串联流量传感器，用于检测通过高速开关阀的流量。

1.液压泵站 2.流量传感器 3、5.压力传感器 4.被测高速开关阀图2 测试系统原理图

工作时，由计算机通过串口传输控制参数给单片机，单片机根据得到的PWM参数产生相应的PWM波，经驱动控制器产生高低双电流，经达林顿管放大，控制高速开关阀动作。工作过程中，利用霍尔电流传感器、压力传感器、流量传感器检测工作状态，同时送由数据采集仪在线采集、离线分析。由于数据采集仪最大电压值不超过10 V，另选择UTD2202数字存储示波器采集阀的控制脉冲和激励电压。

3 高速开关阀动态特性试验研究

由于高速开关阀阀芯质量轻、阀芯位移小，安装位移传感器会影响其动态特性，利用阀芯运动时引起电流、电压信号变化转折点作为阀芯开关标志。

图3为在试验过程中测得的电磁阀控制脉冲、电磁阀激励电压和励磁电流信号。控制信号接通时，在高激励电压作用下，线圈励磁电流指数增长，当电磁推力足以克服阻力推动阀芯运动时，电流信号出现明显转折点A，阀芯到位时，转折点B，完成开启动作，对应开启时间ton，励磁电流降至维持阀芯位置保持电流iH，由于电感作用，激励电压在稳压管作用下出现负值；当控制信号断开时，励磁电流迅速降至0，利用供油回油压差使阀芯复位，激励电压变化出现转折点C，对应阀芯关闭时间toff。图3反映了这一动态过程，试验曲线与理论分析相符。

图3 高速开关阀动态性能测试曲线

3.1 卸荷电路对高速开关阀关闭速度影响

为减小失电后线圈感生电动势对达林顿管的伤害，通常情况下，在电磁铁两端反向并联续流二极管。失电时，线圈产生的感生电动势通过二极管与线圈构成回路消耗掉(如图4a)。在电路中，采用稳压管完成卸荷。当感生电动势低于稳压值时，卸荷回路不通，由线圈内阻消耗；当感生电动势高于击穿电压后，稳压管工作在击穿状态，以较大电流提供卸荷回路(如图4b)，将线圈的储能消耗掉。假设电磁铁线圈电感变化不大，对两种卸荷方式分别建立零输入响应动态方程[9]。

图4 断电后两种方式续流电路图

普通二极管续流，零输入响应：

(2)

i(0+)=i(0-)=iH

(3)

由式(2)、式(3)得：

求导得：

(4)

稳压二极管续流，零输入响应：

(5)

由式(3)、式(5)得：

求导得：

(6)

式中：i(t)为线圈中动态电流；Rs为电磁铁内阻；L为电磁铁电感；Us为电磁铁供电电压，24 V；UD为二极管正向导通压降，0.7 V；UDW为稳压管击穿电压，39 V。

图5 通过高速开关阀的电流信号

3.2 供油压力对动态特性的影响

HSV高速开关阀借助供油回油压差复位，取代了复位弹簧，使得结构简单，响应速度大大提高；同时，对不同供油压力，阀的工作性能也不同。对高速开关阀空载下得电和失电状态分别建立运动方程。

通电状态：

(7)

断电状态：

(8)

式中：Fm为电磁推力；A为进油球阀截面积；fs为液动力；f为摩擦等阻力；c为黏性阻尼系数；m为阀芯和衔铁的总质量；x为阀芯位移。

图6为载波频率为50 Hz，供油压力2 MPa到10 MPa 时，高速开关阀的开启和关闭响应时间。随着供油压力增加，由式(7)，开启阀芯所需Fm逐渐增大，开启响应时间增大，由于高电压的作用，电流增长速度快，因此影响不明显；由式(8)，关闭阀芯时Fm也逐渐增大，电流衰减时间减少，从而关闭延迟时间toff减小。

图6 不同供油压力时，阀的响应时间

4 高速开关阀静态性试验研究

4.1 卸荷电路对静态特性的影响

保证供油压力8 MPa，载波频率25 Hz，分别采用并联二极管、稳压管卸荷方式的空载流量特性如图7，普通二极管续流时，由于卸荷不彻底，线性范围15%～60%；稳压二极管线性范围扩大到10%～95%。

图7 不同二极管续流，空载流量特性

4.2 载波频率对静态特性的影响

高速开关阀要完成一次开启动作，正脉冲宽度Tp至少要大于阀的总开启时间ton；完成一次关闭动作，负脉冲宽度至少要大于阀的总关闭时间toff。实际工作中，除要求阀完成开关动作，还要考虑控制流量线性范围、稳定性、阀的振动、电磁铁的发热等。因此，不能用传统的f<1/(ton+toff)来选择载波频率[10]，更应该考虑实际工作系统。

供油压力3 MPa，载波频率25 Hz、50 Hz、75 Hz试验空载流量曲线如图8。随着载波频率增加，控制流量粗糙度减小；阀的开启延迟时间、高电压作用时间、阀的关闭延迟时间没变化，但在载波周期内所占比例增大，线性控制范围逐渐缩小。

图8 供油压力3 MPa，不同频率空载流量特性

4.3 供油压力对静态特性的影响

考虑高速开关阀在不同压差下工作，选择载波频率50 Hz，供油压力分别3 MPa、4 MPa、8 MPa、10 MPa进行试验，空载流量曲线如图9。载波频率不变，随着压差增大，由于图6中开启响应变化不大，死区变化不太明显；饱和区明显缩小，由3 MPa时20%到10 MPa时5%。

5 结论

通过对HSV高速开关阀在双电压驱动下进行试验研究，试验结果与理论分析相符，并得出以下结论：

图9 载波频率50 Hz，不同供油压力空载流量特性

(1) 稳压管续流作用明显优于普通并联二极管；

(2) 随着频率增加，控制粗糙度减小，线性控制范围也减小，同时会带来电磁铁发热、阀的振动等问题。实际工作中，要根据工作点合理选择；

(3) 随着供油压力的增加，开启响应逐渐变慢，关闭响应逐渐提高；饱和区减小，线性控制范围增加。

参考文献：

[1] 丁凡，姚健娣，笪靖，崔剑，张策.高速开关阀的研究现状[J].中国工程机械学报，2011,9(3):351-358.

[2] 朱旭.高速大流量电液配流系统设计理论及应用研究[D].杭州：浙江大学,2012.

[3] Feng Wang, Linyi Gu, Ying Chen. A Continuously Variable Hydraulic Pressure Converter Based on High-speed On-off Valves [J].Mechatronics,2011,21(8):1298-1308.

[4] Heon-Sul Jeong, Hyoung-Eui Kim. Experimental Based Analysis of the Pressure Control Characteristics of an Oil Hydraulic Three-Way On/Off Solenoid Valve Controlled by PWM Signal[J]. J Dyn Syst Meas Control Trans ASME,2002,124(1): 196-205.

[5] 李玉贵，杨晓明，高学杰.PWM高速开关阀静特性研究[J].太原重型机械学院学报，2002,23(1)：68-71.

[6] 苏明.电磁高速开关阀控制特性及方法研究[D].贵阳：贵州大学,2010.

[7] 傅林坚. 大流量高响应电液比例阀的设计及关键技术研究[D].杭州：浙江大学,2010.

[8] Ill-Yeong Lee. Switching Response Improvement of a High Speed On/Off Solenoid Valve by Using a 3 Power Source Type Valve Driving Circuit[C]. Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology,2006:1823-1828.

[9] 罗先觉.电路(第5版)[M].北京：高等教育出版社,2006:137-152.

[10] 黎启柏. 电液比例控制与数字控制系统[M].北京：机械工业出版社,1997:475-495.