水液压数字比例阀实验研究

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水液压技术是以纯水或海水作为工作介质的传动控制技术，具有安全可靠、经济环保等优点，已广泛应于各个领域 J。水液压比例阀价格便宜，制造容易，抗污染能力强，使用于精度要求不太高的诚。与传统的比例阀相比，数字比例阀是-种新型的、可由计算机直接控制、结构简单、工艺性好、工作稳定可靠、抗污染能力强、成本较低且功率小的比例阀l2 J。

随着电子控制技术的发展，自20世纪 50年代末，国外便开始了数字控制阀的研究3-41。日本某公司研制了增量数字先导溢流阀，可通过输入正反向的脉数来控制步进电机的转向和角度，进而控制先导阀的开启压力，最终控制比例溢流阀的开启压力。还有-款PVG32多路换向阀，该阀的先导阀由4个采用 PWM控制的高速开关阀组成液压全桥，用于控制主阀芯的运动方向和位移量。日本等国对 PCM数字阀进行了研究，并将研究的 PCM数字阀用于机器人的控制等领域↑年来，国内的大连海事大学、吉林大学等各大高校和研究所也对数字阀进行了大量研究5 J。

本文设计了-种采用先导控制的PCM数字比例阀，并制造了样机，对其压力、流量特性和压力动态响应特性进行了实验研究。

1 比例阀的原理及结构图1为水液压数字比例阀总体方案原理图；图2为水液压数字比例阀总装图。该阀由主阀和先导阀组成，主阀为采用弹簧对中形式的三位四通滑阀，先导阀由2组开关阀组成，每组开关阀组由4个开关阀并联并分别串联-阻尼孑L，然后与-阻尼孔串联组成-关阀阀芯由压电致动器输出位移，经柔顺机构放大后驱动。

PT图1 水液压数宇比例阀总体方案原理图在阀工作时，通过 PCM控制器控制不同压电制动器的通断电，进而控制不同开关阀的启闭组合，从而控制先导阀压力控制口的压力大小，最终控制主阀阀芯收稿 日期：2012.11-16基金项 目：国家自然科学基金资助项 目(50975101)作者简介 ：朱碧海，男 ，副教授 ，博士，主要从事流体传动及水液压元件与系统的基础理论和工程技术研究工作。

128 液压与气动 2013年第5期9101112131.主阀阀盖 1 2.主阀弹簧 3.弹簧座I 4.主阀阀芯 5.主阀阔套6.先导阀阀体 7.柔顺机构 8.开关阀阀座 9.开关阀阀芯l0.主阀阀盖 Ⅱ 11.主阀阀体 12.主阀弹簧 Ⅱ 13.弹簧座 Ⅱ图 2 水液压数字比例阀总装图位移和阀口流量。该阀与其他流量控制阀相 比，具有以下优点：① 工作介质为纯水或者海水，对环境无污染；② 可用于开式系统，阀结构简单；③ 采用 PCM控制，无需 D/A转化，阀控制简单可靠，不受载波频率影响，可获得较高的频率；④ 采用电液先导控制，阀额定流量大；⑤ 主阀采用阀芯阀套结构，加工难度降低且精度提高，主阀芯位移较大，控制精度较高；⑥ 开关阀采用锥阀结构，阀抗污染能力强；⑦ 开关阀采用压电陶瓷和柔顺机构驱动，控制精度高，响应快。

2 比例阀的实验研究2.1 静态特性试验方案及结果分析图3为水液压数字比例阀样机静态特性实验原理图。按照原理图搭建实验平台，检查系统连接无误后启动水压泵 I和水压泵Ⅱ，调节溢流阀 I和Ⅱ，设定主阀和先导阀进口压力分别为 1 MPa和 1.5 MPa；按不同的组合(共 256组)启闭先导阀开关阀组，分别记录下压力传感器 I、压力传感器 Ⅱ和流量计的读数，进行实验数据处理，绘制阀的压力特性、流量特性和压差流量特性曲线。

d1.过滤器 Ⅱ 2.水压泵 Ⅱ 3.压力表Ⅱ 4.被试阀先导阀开关阀组 I5.压力传感器 I 6.被试阀主阀 7.流量计 8.压力传感器Ⅱ9.被试阀先导阀开关阀组 Ⅱ 1O.压力表 I l1.水压泵 I12.过滤器 I l3.溢流阀 I 14.水箱 15.溢流阀Ⅱ图3 样机静态特性实验原理图图4和图5分别为水液压数字比例阀样机空载时不同开关阀组合下压力控制口压差特性曲线和主阀压差流量特性曲线。

000011.!I/qY6oooooo 1111000. 输入信号(二进制)l/图4 样机压力控制口压差特性曲线图 5 样机空载时压差流量特性 曲线图4中虚线是根据理论计算值绘制，实线是根据实验结果绘制。从图中可以看出实验结果与理论值比较吻合，先导阀压力控制较为精确，基本满足设计需要，但实验结果表明压力控制口处压力 最大值为1.45MPa，偏离理论值 1.14 MPa较大，分析其可能原因，主要有以下几点：(1)系统存在-定的测量误差；(2)系统存在-定的背压；(3)存在加工误差，阻尼孔实际大孝形状与设计值有偏差。

从图5中可以看出阀的压差流量控制曲线总体线性度较好，但局部存在-定偏差；主阀阀口开到最大时，额定流量分别为 82 L/min和 87 L/min，与设计的额定流量 100 L/rain有-定的偏差；主阀阀芯在零位时有大约 8.5 L/min的泄漏量，分析其可能的原因如下 ：(1)主阀阀芯阀套加工未达到设计要求，泄漏量较大，主阀流量较小；(2)主阀阀套有-定锥度，主阀阀芯受到的液压卡紧力比计算值大。

2.2 动态特性试验方案及结果分析图6为水液压数字比例阀样机动态特性实验原理图。按照原理图搭建实验平台，检查系统连接无误后2013年第5期 液压与气动 129启动水压泵 I和水压泵 Ⅱ，调节溢流阀 I和Ⅱ，设定主阀和先导阀进口压力分别为 1 MPa和 1.5 MPa，同时打开先导阀开关阀组 I的开关阀，开关阀组 Ⅱ的开关阀不开启(输入开关阀组的二进制信号为 1 1 1 10000)，开始采集压力传感器 I和压力传感器Ⅲ的数据，同时关闭所有开关阀，停止采集压力传感器 I和压力传感器Ⅲ的数据，进行实验数据处理，绘制先导阀压力控制口和主阀出口压力动态响应曲线。

1.过滤器 I 2.水压泵 I 3.压力表 Ⅱ 4.被试阀先导阀开关阀组 I5.压力传感器 I 6.压力传感器Ⅲ 7.节流阀 8.水箱9.被试阀主阀 l0.压力变送器Ⅱ 11.被试阀先导阀开关阀组 Ⅱ12.压力表 I 13.水压泵 I 14.过滤器 Il5.溢流阀 I 16.溢流阀Ⅱ图 6 样机动态响应特性实验原理图样机在最大开口量时，压力控制口l的压力 P ，动态响应特性曲线如图7中曲线 1所示，主阀出口压力图7 样机压力动态响应特性曲线动态响应曲线如图7中曲线2所示。

从图中可以看出阀的开启响应时间大约 8O ms，关闭响应时间大约 150 ms，响应较快，基本满足设计要求。实验结果与仿真结果相比，开启响应时间基本吻合，但关闭响应时间较仿真结果长，分析其原 因如下 ：(1)系统存在测量误差；(2)实验系统管路对阀的性能测试有-定 的影响；(3)主阀阀芯与主阀阀套加工精度未达到设计要求 ，液压卡紧力和运动阻力较大，泄漏较大；(4)放电回路在末端放电较慢影响了阀关闭时的动态响应特性。

3 结论通过对样机的压差控制特性、压差流量特性和压力动态响应特性进行了实验研究 ，得到了以下结论：(1)样机的静态性能和动态性能基本满足设计要求，验证了PCM控制的可行性；(2)样机的静态性能和动态性能还有待进-步提高。