高速开关阀流量特性的试验研究

杨树军，王楠，王青

(燕山大学车辆与能源学院，河北秦皇岛 066004)

0 前言

高速开关阀是一种新型的数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作［1］，具有可靠性好、结构简单、价格低廉、抗污染能力强、对电子控制回路要求低等特点［2－6］。高速开关阀主要有锥阀式和球阀式两种，球阀式高速开关阀由于其密封性好、反应灵敏、动态响应好而得到普遍应用［7］。在新型气动元件电－气比例调压阀、风力机制动系统、液压系统的数字式变量泵以及车辆换挡品质的改善方面均用高速开关阀进行控制［8－11］。目前已广泛应用于航空航天、汽车、冶金、农业机械、工程机械等重要领域。例如用高速开关阀取代传统的电液比例阀，与多路阀构成数字电液比例换向阀，实现对装载机的数字化电液比例控制［12－15］。文中对高速开关阀静态特性进行了试验研究，分析了系统压力、控制信号频率等因素对高速开关阀流量的影响规律。

1 高速开关阀的结构及工作原理

图1为某二位二通常闭型高速开关阀的结构简图，当高速开关阀线圈通电时，衔铁1在电磁力的作用下，克服弹簧力、摩擦力和液动力，推动顶杆6带动供油球阀7向右运动，从而使阀口打开;当线圈断电时，供油球阀在液动力和弹簧力的共同作用下向左运动，最终压紧在供油球阀密封座上，阀口关闭。利用单片机及驱动电路产生的脉宽调制 (PWM)信号来控制高速开关阀通断，当信号频率一定时，通过信号的占空比变化改变阀开启、关闭的时间。

图1 高速开关阀结构简图

2 高速开关阀流量特性试验

高速开关阀的流量特性是高速开关阀的重要静态特性之一，可以反映阀对系统压力的控制能力。图2是高速开关阀流量特性的试验台原理图。通过变频器调节电机的转速控制输入流量的大小;单片机通过驱动电路产生不同频率的PWM信号控制高速开关阀的启闭;数据采集系统通过压力、流量传感器采集高速开关阀压力、流量参数。试验台所用设备及型号见表1。

图2 高速开关阀空载流量特性实验台简图

表1 试验设备

3 试验结果分析

3.1 压力对高速开关阀流量特性的影响

选取工作频率为25、50 Hz，开展不同压力下流量随占空比的变化规律试验，试验结果如图3所示。图3(a)为工作频率25 Hz、系统压力分别为1.6、1.0 MPa时，流量与占空比的变化曲线;图3(b)为工作频率40 Hz时的试验曲线。

由图3(a)可得:压力为1.6 MPa、工作频率为25 Hz、占空比在20%～80%期间，流量特性线性度为7.4%;压力为1.0 MPa、工作频率为25 Hz、占空比在20%～80%期间，流量特性线性度为4.8%。试验结果表明:(1)流量与压力的大小成正比;(2)占空比、信号频率一定时，压力与流量的线性度成正比。

图3 不同压力下流量占空比变化曲线

3.2 频率对高速开关阀流量特性的影响

在高速开关阀的有效工作频率范围内，选择25、40、50 Hz 3种脉宽调制频率开展高速开关阀流量Q随占空比τ变化规律的试验。图4是最大压力为1.6 MPa时，高速开关阀的流量随占空比变化的关系曲线。

图4 不同工作频率下流量占空比关系试验曲线

由图可得:(1)不同工作频率下，相同占空比的流量变化很小，最大偏差为0.067 L/min，频率对流量的影响很小，在占空比为20%～80%时，影响更小。(2)在工作频率为25 Hz、占空比为5%时，油液流量为0.073 L/min，高速开关阀基本没有死区;而工作频率为50 Hz、占空比为5%时，油液流量为基本为0。由此可见高速开关阀的响应特性与控制信号的频率密切相关，频率越高，一个脉宽周期内通断电时间越短，阀的死区及饱和区越大。(3)工作频率分别为25、40、50 Hz时，流量随占空比变化曲线的线性度依次是7.4%、8.35%、8.8%，即工作频率与曲线的线性度成正比。

3.3 高速开关阀等效流通面积的确定

高速开关阀是一种小巧精密的元件，在做仿真模拟时需要阀的一些具体尺寸，很重要的一个参数是阀的等效流通面积A。高速开关阀平均流量公式为:

式中:Cd为流量系数;A为高速开关阀流通面积，mm2;ρ为液压油密度，kg/m3;Δp为高速开关阀前后压差，MPa;τ为占空比。

由高速开关阀平均流量公式 (1)可以得出

图5为高速开关阀阀口全开即占空比为100%、信号频率为25 Hz时，流量与压力的变化曲线。在系统压力为0.7～1.6 MPa时，流量随压力基本成线性变化。根据试验数值得到/Δp随系统压力的变化曲线，如图6所示。由图可知/Δp值基本是一个定值0.625，这对于高速开关阀等效流通面积的确定提供了重要依据。代入公式 (1)，得到Cd·A=0.3 mm2。

图5 频率一定时流量随压力变化曲线

图6 不同压力时Q2/Δp值

4 结论

文中开展了某常闭型二位二通高速开关阀流量特性的试验研究，通过不同参数对比分析，得出以下结论:(1)其他条件一定时，高速开关阀流量与压力的大小成正比;(2)高速开关阀流量的线性度与压力大小成正比;(3)控制信号频率对流量影响很小，但阀的线性度随频率的增加而增大;(4)信号频率越高，阀的死区、饱和区范围越大;当高速开关阀控制信号的占空比一定时，流量随压力的增加而增大;(5)通过试验反向测得高速开关阀等效流通面积，方便仿真、研究使用。

［1］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.

［2］杜巧连，陈旭辉，吴文山，等.PWM高速开关阀的特性分析与应用研究［J］.液压气动与密封，2002(3):10－11.

［3］WANG Feng，GU Linyi，CHEN Ying.A Continuously Variable Hydraulic Pressure Converter Based on High-speed onoff Valves［J］.Mechatronics，2011(21):1298－1308.

［4］汤展跃，刘少军，黄中华，等.以高速开关阀为先导阀的锥阀性能研究［J］.机床与液压，2007，35(6):107－109.

［5］孔晓武，阮晓芳.先导式高速开关阀的优化设计与动态仿真［J］.机电工程，2011，28(7):789－792.

［6］WANG Qilei，YANG Fengyu，QIAN Yang，et al.Experiment Analysis of New High-speed Powerful Digital Solenoid Valves［J］.Energy Conversion and Management，2011(52):2309－2313.

［7］张小军，凌宁，朱国伟，等.新型高速开关阀的设计与研究［J］.机床与液压，2001(6):88－89.

［8］刘志珍，张忠祥，侯延进.电－气比例阀高压驱动与低压PWM的双压控制模式［J］.农业机械学报，2008，39(7):159－163.

［9］鲍先兵，林勇刚，李伟，等.风力机柔性制动系统设计与仿真［J］.农业机械学报，2010，41(2):104－107.

［10］岑顺锋，吴张永，王娴，等.基于高速开关阀的数字式变量泵研究［J］.中国机械工程，2012，23(6):671－675.

［11］赵丁选，王卓，张景波.改善工程车辆换挡品质的变结构模糊控制系统研究［J］.农业机械学报，2003，34(1):8－10.

［12］丁凡，姚建娣，笪靖，等.高速开关阀的研究现状［J］.中国工程机械学报，2011，9(3):351－358.

［13］张庆永，常思勤.液驱混合动力车辆能量回收系统关键问题研究［J］.机械设计与制造，2011(4):256－259.

［14］业民，孔晓武，邱敏秀.先导式大流量高速开关阀的优化设计［J］.机械设计，2010，27(9):84－86.

［15］荆宝德，殷涌光，刘顺安，等.装载机中数字电液比例控制系统的仿真［J］.农业机械学报，2005，36(2):47－50.