2D数字式电液比例换向阀动态特性实验研究

， 　， ， 　， 　， 　， 希庆(浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室， 浙江 杭州　310014)

引言

在液压控制领域中，常常需要将控制信号成比例的转换成位移或流量，驱动液压执行机构的动作。电液比例阀是将输入电信号成比例的转换成输出液压的液动控制元件。为了提高系统的控制精度，电液比例阀需要有较好的静态控制精度和动态响应特性[1]。但一般直动式电液比例阀控制大流量时，巨大的液动力会影响阀芯的线性运动，导致控制精度变差。为了消除液动力影响，提高液压阀的过流能力，最根本的办法是采用导控(先导控制)技术。早在1936年，美国工程师Harry Vickers为了解决因液动力影响直动溢流阀而无法实现高压、大流量系统的压力控制问题，发明了导控溢流阀，由导控阀控制主阀敏感腔的压力变化，产生较大的液压静压力驱动主阀芯运动，可实现大流量控制， 但其结构相对复杂，无法在零压下工作[2]。

为此，本实验室提出了2D电液比例换向阀，通过压纽联轴器将比例电磁铁的直线运动转化为轴向直动和绕轴旋转运动，使其兼具直动和导控电液比例换向阀的优点。经研究表明，该阀具有良好的静态性能，对其动态特性还需进一步实验研究[3]。

现主要针对2D电液比例换向阀进行动态试验研究。为了真实反映该阀的性能，专门开发一套基于DSP芯片的数字式闭环控制系统，避免因控制器因素影响对阀的测试结果。本研究对实验结果进行深入分析，研究对该阀动态性能造成影响的因素，为该阀的进一步改进提供理论基础。

1　2D电液比例换向阀结构及工作原理

2D电液比例换向阀由比例电磁铁、压-扭联轴器和2D换向阀三者共轴连接而成，如图1所示。比例电磁铁作为比例阀的电-机械转换部分，它将外部输入信号成比例的转化为阀芯推力，是组成比例阀的重要部分，比例电磁铁在2D电液比例换向阀中并不直接推动阀芯运动，而是推动压-扭联轴器作直线运动，再由压-扭联轴器作用阀芯，实现阀芯直动和旋转运动。压-扭联轴器由图1中顶针1、销轴2、轴承3、直线轴承4、对中弹簧5、滑楔8组成，比例电磁铁推力直接作用顶针1上，继而带动滑楔8沿销钉9做直线运动，在运动过程中滑楔8的斜面对轴承3作用一径向力，轴承3通过销轴2与阀芯6相连，实现阀芯的旋转运动。2D换向阀由阀芯6、阀体7和端盖10组成。压-扭联轴器用来将比例电磁铁的直线位移转化成2D换向阀阀芯的旋转运动时，会引起高低压孔(c、d、e、f)开口变化， 进而改变阀芯左、右两腔(a、b)压力以推动阀芯直线运动[4]。在移动的过程中阀芯受压-扭联轴器作用而反向转动，阀两端的敏感腔的压力又逐渐恢复为相等的值，阀芯到达一个新的平衡位置，阀芯移动的位移与比例电磁铁的推力成比例关系。我们利用阀芯的这种双自由度运动导控主阀，克服液动力、摩擦力等非线性因素的不利影响，实现电液比例换向阀的功能。

2　2D电液比例比例换向阀阀芯运动过程受力分析

如图2所示，当2D比例比例电磁阀的两端没有输入信号时，滑楔向外推力所产生的弹簧Fs(左侧和右侧分别由下标“l”和“r”表示)通过滑楔与滑楔接触的滚动轴承、销轴传至阀芯，由于斜面的作用，阀芯除承受轴向拉力Fs外，还承受切向力Ft的作用，同一端切向力大小相等、方向相反，可以构成一对力偶。两端的滑楔对阀芯的轴向作用力和力偶方向相反，因而在平衡位置时，阀芯处于预拉与预扭的状态。当2D比例换向阀某端的比例电磁铁输入信号时，比例电磁铁推力使阀芯所受的原预拉预扭平衡被打破，阀芯转动。在高压力大流量的工况下，由于存在液动力和摩擦力无法直接驱动阀芯轴向运动[5]。但是，通过压-扭联轴器，使比例电磁铁直线运动转化为阀芯的旋转运动，引起左右敏感腔压力变化，放大轴向推力，阀芯足以克服摩擦力和液动力，按比例运动[4]。

阀芯在移动的同时也往回转动，阀芯两端敏感腔的压力又重新恢复为稳态的平衡值，阀芯到达一个与比例电磁铁推力大小对应的新平衡位置。此时阀芯受力平衡方程如式(1)：

式中：mt—— 折算到阀芯上的总质量

1.顶针　2.销轴　3.轴承　4.直线轴承　5.对中弹簧　6.阀芯　7.阀体　8.滑楔　9.销钉　10.端盖a,b —— 敏感腔　c,e —— 低压孔　d,f —— 高压孔　g,h —— 感受通道

图2　阀芯运动过程与受力分析图

Be—— 总黏性系数

KL—— 弹性负载刚度

FL—— 外部负载力

需要特别指出的是，当阀的P口的压力为零(与T口压力相等)，此时，无法通过两端敏感腔压力的变化驱动阀芯轴向移动，但由于阀腔内无油液流动，阀芯不受液动力和卡紧力的作用[5]，因而，比例电磁铁通电后所产生的轴向推力可以直接驱动阀芯运动，这时2D电液比例阀的工作原理与直动式比例阀一致。

因此，该阀同时具有直动阀和导控阀的功能于一体，既能在零压或失压的情况下像直动阀一样工作，也能在高压大流量的工况下像导控阀一样工作，且结构简单、体积小。

3　动态特性实验研究

3.1　试验平台

2D电液比例换向阀的动态特性试验测试平台如图3所示，测试系统主要由信号控制系统、液压测试系统系统，信息采集系统组成。信号控制系统由信号发生器和比例控制器组成；动态特性测试由信号发生器输出不同频率的正弦信号，通过比例控制器转换成电流信号，进而控制比例电磁铁及比例阀动作。测试系统由标准液压试验平台和被测2D电液比例换向阀(包括电机械转换器)组成。信号采集系统由流量计、激光位移传感器和记忆示波器组成[6]，激光位移传感器型号为某单位生产的LK-G150，测量速度可达392 kHz，精度为±0.02%，重复性为0.01 μm。在上压时，阀芯位移可以通过阀芯导杆导出，利用激光位移传感器把阀芯位移信号输入记忆示波器。由2D比例换向阀结构及工作原理可知，比例电磁铁作为比例阀的电机械转换器，其性能优劣对比例阀的性能会产生很大影响。本实验所选的比例电磁铁型号为“GP45-4-A”，额定电压为10 V，额定电流为0.8 A，可以输出80 N 的额定推力，行程可达3 mm。

图3　2D电液比例换向阀测系统简图

3.2　比例阀动态特性试验

1) 频率特性

实验时，信号发生器产生不同频率的正弦信号，输入数字式比例控制器。2D比例换向阀随着控制信号正弦往复运动。在供油压力为3 MPa和空载条件下，所测得2D比例换向阀对不同频率正弦信号的响应如图4所示。

从图4中可以看出，2D比例换向阀对1～50 Hz的正弦信号具有良好的跟随特性。

图5为不同频率下2D比例换向阀阀芯位移的频率特性曲线。从图5a幅频特性曲线可知，幅值下降3 dB时，频率可达18 Hz。根据5b相频特性曲线可知，相位滞后90°时，频率可达50 Hz。说明该比例阀具有非常好的动态特性，与国内同规格的各类换向阀相比具有较明显的优势。

2) 阶跃响应

输入信号为0.1 Hz的方波信号时，2D比例换向阀阀芯响应曲线如图6所示。从图中可看出，阶跃响应时间约为55 ms，有较小的超调量，稳态误差±1.5%,表明2D比例换向阀具有较高的响应速度及控制精度。

图4　2D电液比例换向阀的频率响应

4　结论

(1) 2D数字式电液比例换向阀具有良好的动态跟随特性，在幅值下降3 dB，相位滞后90°时，频响可达18 Hz，与国内同规格的各类换向阀相比具有较明显的优势；

图5　频率特性曲线

图6　阶跃响应曲线

(2) 在频率较低时，由于摩擦力影响，在峰值时会出现“饱和”现象，在输出信号上叠加一定幅值频率的颤振信号，就可以消除“饱和”现象；

(3) 比例电磁铁作为电机械转换部分，比例电磁铁的动态性能直接影响阀的动态性能，对2D比例阀的具体影响还有待研究。

参考文献：

[1]姚蘅,王涛,等.带有高速开关阀的先导式电/气比例阀仿真分析[A]. 第六届全国流体传动与控制学术会议[C].兰州：中国机械工程学会流体传动与控制分会，2010.

[2]路甬祥,胡大纮.电液比例控制技术[M].北京：机械工业出版社,1988.

[3]励伟,阮键，等.三位四通2D电液比例换向阀的静态特性试验研究[J].液压与气动，2013，(12)：124-127.

[4]阮键.电液(气)直接数字控制技术[M].杭州：浙江大学出版社,2000.

[5]吴根茂,邱敏秀,王庆丰,等.实用电液比例技术[M].杭州：浙江大学出版社,2006.

[6]洛涵秀,李世伦,朱捷,等.机电控制[M].杭州：浙江大学出版社,2003.