閥門(mén)知識

引言

脈寬調制在流體動(dòng)力系統應用的根本思想就是應用高速開(kāi)關(guān)元件，經(jīng)過(guò)控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)的占空比數的不同，從而控制閥口開(kāi)度的時(shí)間均勻值。關(guān)于流體控制系統，普通對其響應速度皆有一定的請求，因此在工作過(guò)程中調制頻率應盡可能地高，即請求閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間很短。

此外，工程中的快速動(dòng)作機構（如機車(chē)緊急剎閘、電路快速切斷開(kāi)關(guān)等）的主要特性是瞬時(shí)釋放出大功率的能量：它們常用的驅動(dòng)方式有直接電磁驅動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種方式。其性能對照見(jiàn)表 1。從表中能夠分明看出，液壓或氣動(dòng)系統瞬時(shí)釋放大功率的特性遠優(yōu)于電磁驅動(dòng)的方式。而液壓或氣動(dòng)系統能量釋放是由開(kāi)關(guān)閥完成的，為了完成快速性，關(guān)鍵是進(jìn)步閥的開(kāi)關(guān)速度。

本文提出一種采用雙自在度閥芯構成的雙級氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥，在引見(jiàn) 2D 高速開(kāi)關(guān)閥的根底上，對其動(dòng)態(tài)特性停止實(shí)驗研討。

1 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥

2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥采用雙自在度的設計思想，將導閥與主閥做在一個(gè)閥芯上，導閥由閥芯的旋轉自在度完成其功用，主閥口的開(kāi)度大小由閥芯的軸向滑動(dòng)控制，其根本構造見(jiàn)圖 1：

圖 1 2D 氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥

閥芯的右腔為敏感腔，在閥芯的右端臺肩上開(kāi)設有 a、b 口，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通；在閥座孔右端經(jīng)通道 c 與敏感腔相通；閥左腔經(jīng)通道 d 與 PL 相通；當力矩馬達驅動(dòng)閥芯轉動(dòng)，使 a 與 c 通時(shí)，則敏感腔處于高壓狀態(tài)，這時(shí)閥芯將在壓力推進(jìn)下左移，使 Po 與 PL 溝通；當 b 與 c 口溝通時(shí)，敏感腔處于低壓，閥芯右移，PL 與 Pa 溝通，閥芯是細長(cháng)狀的，轉動(dòng)慣量較小，容易完成快速擺動(dòng)。該閥為一三通換向閥，若閥芯中間的臺肩寬度大于閥孔環(huán)形槽的寬度，則該閥為二通型。這種構造的閥實(shí)踐上為二級構造，PL 口能夠有較大的流量輸出，若不需求大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號。為了保證閥所受的徑向力均衡，a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱(chēng)的構造。

閥芯的旋轉運動(dòng)由力矩馬達驅動(dòng)。力矩馬達主要由銜鐵、導磁體及磁鋼構成，具有雙穩記憶功用，其工作原理如下：銜鐵與導磁體處于正常的工作位置時(shí)，構成四個(gè)工作系隙，銜鐵上有一激磁線(xiàn)圈。磁鋼在系隙中構成垂直向下方向的磁場(chǎng)，而當激磁線(xiàn)圈通電時(shí)，則產(chǎn)生兩個(gè)環(huán)狀的封鎖的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將使兩個(gè)對角處的系隙的永磁體的磁場(chǎng)分別得以增強和削弱，其結果使銜鐵快速擺動(dòng)。當銜鐵的端部抵達閉合位置時(shí)，線(xiàn)圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下，其位置堅持不變。這便使得該力矩馬達具有穩態(tài)記憶功用。當線(xiàn)圈通以相反方向的脈沖電流時(shí)，則銜鐵反向擺動(dòng)。由于該力矩馬達具有穩態(tài)記憶功用，可由強電流脈沖驅動(dòng)，因此可確保其快速響應特性。

2 實(shí)驗研討

將力矩馬達與閥體相聯(lián)構成雙級高速開(kāi)關(guān)閥，采用電渦傳播感器丈量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm；用紫外線(xiàn)示波器記載輸入電壓 U1、U2 和線(xiàn)圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形，實(shí)測的波形見(jiàn)圖 2。顯而易見(jiàn)，閥芯與電磁鐵相聯(lián)后，銜鐵的動(dòng)作時(shí)間要略為多一些，但由于該閥芯的轉動(dòng)慣量?jì)H為銜鐵轉動(dòng)慣量的 1/3，所以動(dòng)作時(shí)間的增加并不多。相聯(lián)后實(shí)測得力馬達最大響應脈沖信號頻率為 190Hz（驅動(dòng)電壓 30V）。

圖 2 2D 雙級高速開(kāi)關(guān)閥的實(shí)驗結果

表 2 給出閥動(dòng)作時(shí)間與力馬達初始系隙之間的關(guān)系（壓力為 0.8MPa）：從表中能夠看出當 θ0 為 0.2 度左右時(shí)，閥的動(dòng)作時(shí)間最短。當系隙增大時(shí)，馬達的動(dòng)作時(shí)間增大；當系隙減小時(shí)，導閥開(kāi)度較小，推進(jìn)閥芯運動(dòng)的供氣缺乏，這兩種要素皆使閥動(dòng)作時(shí)間增大。

圖 3 給出了供氣壓力與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系，它們之間近似呈二次曲線(xiàn)的變化規律。

圖 3 閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系

3 結論

將雙自在度的閥芯運用于氣動(dòng)高速開(kāi)關(guān)閥的設計是勝利的，它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調整力矩馬達的調隙螺釘可改動(dòng)導閥（旋轉自在度）開(kāi)啟面積大小。改動(dòng)閥芯中央臺肩的寬度變化，可使閥成為二通型或三通型。

閥門(mén)的通徑為 φ6，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間為 1.3ms 左右。導閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間隨系隙調整螺釘的改動(dòng)而變化，即調整銜鐵的擺角行程能夠改動(dòng)開(kāi)啟時(shí)間。對導閥而言，行程越小則開(kāi)關(guān)時(shí)間越短，但是對主閥卻不是這樣的，只要當銜鐵的行程到達某一值時(shí)，主閥的開(kāi)啟時(shí)間最短。在機械加工精度保證的前提下，增大導閥的面積梯度，減小行程，可減少閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

該閥速度較快的另一緣由是回程采用脈沖電流驅動(dòng)。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達輸出的機械功皆用于驅動(dòng)閥芯，毋需克制彈簧力，從而使閥芯運動(dòng)時(shí)間較短。另一方面采用霎時(shí)通電，較大的霎時(shí)電流使閥芯快速動(dòng)作，又不會(huì )惹起馬達線(xiàn)圈發(fā)熱過(guò)劇而燒壞。由于機構中沒(méi)有彈簧，從而不存在彈性元件的疲倦毀壞的問(wèn)題，這一點(diǎn)對脈寬調制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。

綜上所述，將雙自在度的原理運用于高速氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的設計是勝利的，所設計的高速開(kāi)關(guān)元件具有良好的性能，這種性能還可隨加工精度的進(jìn)步而得到進(jìn)一步進(jìn)步。