六通径工业2D伺服阀的动态特性研究

傅莹龙

摘  要：针对工业2D伺服阀动态特性可能存在的不稳定问题，分析了工业2D伺服阀的结构、工作原理及抗污染能力。并在此基础上，设计并搭建了测试实验平台，在额定压力21MPa时，对3只额定流量为50L/min的通径6mm的工业2D伺服阀进行了动态特性实验研究。研究结果表明：3只工业2D伺服阀在-3dB处幅频宽至少可达73Hz（25%额定流量），阶跃响应上升时间至少可达10ms;3只6mm通径工业2D伺服阀均具有较理想的动态特性，不存在动态特性不稳定的问题。

关键词：工业2D伺服阀;动态特性;实验研究

0  引言

电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号（流量和压力）输出[1]。

工业2D伺服阀有着结构简单，原理先进，性能优越和抗污染能力强等特点。本文对正开口工业2D伺服阀的动态特性和频率特性进行了实验研究，具有极大的研究和实用价值。

1 工业2D伺服阀结构与工作原理

工业2D伺服阀将导阀和主阀融为一体，通过双自由的伺服螺旋机构实现位置反馈，无需任何固定阻力小孔来保证其稳定性，结构简单且加工方便，如图1。为保持阀芯的径向力平衡，阀套采用具有双自由度控制功能的双伺服螺旋機构。双伺服螺旋机构具有良好的自清洁功能（过滤精度达在30微米以下），例如：一旦某一侧的高压（或低压）弓形孔堵塞，阀芯的力平衡将受到破坏而轴向移动，从而增大堵塞弓形孔的面积清除堵塞物。且阀芯最小孔径为2mm，被堵塞的可能性极小。阀芯将原来的圆形高低压口，改成满弓形（通过电火花加工），将弓弦对准螺旋槽，以加大面积梯度[2-3]。

工业2D伺服阀利用单个阀芯的旋转和滑动双自由度构成（如图2）。在该结构中，阀右腔通过小孔b，经阀芯杆内通道和小孔a与进油口（系统压力）相通，其面积为左腔的一半;左腔的压力由开设在阀芯左端台肩上的一对高低压孔和开设于阀芯孔左端的螺旋槽相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制。在静态时若不考虑摩擦力及阀口液动力的影响，左敏感腔压力为入口压力（系统压力）的一半，阀芯轴向保持静压平衡，与螺旋槽相交的高低压侧的弓形面积相等。当以顺时针（面对阀芯伸出杆）的方向转动阀芯，则高压侧的弓形面积增大、低压侧的弓形面积减小，左腔压力升高，并推动阀芯右移，同时高低压孔又回到螺旋槽的两侧，处于高低压侧弓形面积相等的位置，敏腔的压力恢复为入口压力（系统压力）的一半，保持轴向力平衡;若逆时针的方向转动阀芯，变化则正好相反，阀芯向左移动。

在2D伺服阀中，阀芯角位移与轴向位移之间的转换运动与普通的机械螺旋机构的转换运动相一致，不同之处在于阀芯的轴向运动由液压静压力驱动的，因此实现工业2D伺服阀阀芯转角与轴向位移（主阀开口）转换的导控结构也称为液压伺服螺旋机构。从结构和工作原理可以看出2D伺服阀为双级位置反馈液压流量伺服阀。

2 动态特性测试原理

液压系统原理见图3。工业2D伺服阀的动态特性通常用它的阶跃响应特性或频率特性来表示。测试所使用的流量计型号为VS4，其测量量程为300L/min，精度为0.3%，重复精度为±0.05%。实验时，信号发生器发出满开口幅值（±4V）的低频（0.02Hz）正弦信号，该信号一方面送给2D伺服阀控制器，另一方面送给记忆示波器。

3  动态特性实验测试

3.1 阶跃响应特性

系统调零后，关闭1号，2号，3号截止阀，打开4号，5号截止阀，输入幅值4v的阶跃信号，使阀芯为满开口，调节系统压力为21MPa ，待示波器出现稳定的流量信号，保存流量信号和输入控制信号，处理数据得阶跃响应特性，6mm工业2D伺服阀的阶跃响应时间为10ms。

3.2 频率特性

系统调零后，关闭1号，2号，3号截止阀，打开4号，5号截止阀，输入幅值1v，频率为1Hz的正弦信号，使阀芯25%开口，调节系统压力为21MPa ，待示波器出现稳定的流量信号，保存流量信号和输入控制信号。再依次改变频率为10Hz，20Hz，40Hz，50Hz，80Hz，或更大频率，至输出流量信号滞后输入信号90度。保存所有数据后处理得到频率特性。该组工业2D伺服阀在-3dB处幅频宽可达73Hz（25%额定流量），具有理想的动态特性和良好的加工一致性。

参考文献：

[1]王春行. 液压控制系统[M]. 北京：机械工业出版社，1999.5

[2]周曲珠.图解液压与气动技术[M].北京：中国电力出版社，2010

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

基金项目：2021年台州市工业类科技计划项（21gyb37）