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上海方工2D氣動高速開關(guān)閥實驗數(shù)據(jù)參考
上海方工氣動高速開關(guān)閥實驗數(shù)據(jù)參考,2D氣動高速開關(guān)閥是采用具有兩個運動自由度閥芯的雙級高速開關(guān)閥,該閥由雙穩(wěn)力矩馬達驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)導(dǎo)閥功能,由氣體壓力差推動閥的軸向運動。本文在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上,對其動態(tài)特性進行實驗研究,結(jié)果表明其具有很高的開關(guān)特性。
來源:http://m.velosofamily.com/news.html | 作者:fanggong | 發(fā)布時間: 233天前 | 584 次瀏覽 | 分享到:

?上海方工氣動高速開關(guān)閥實驗數(shù)據(jù)參考脈寬調(diào)制在流體動力系統(tǒng)應(yīng)用的基本思想就是利用高速開關(guān)元件,通過控制其開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)的不同,從而控制閥口開度的時間平均值。對于流體控制系統(tǒng),一般對其響應(yīng)速度皆有一定的要求,因而在工作過程中調(diào)制頻率應(yīng)盡可能地高,即要求閥的開關(guān)時間很短。此外,工程中的快速動作機構(gòu)(如機車緊急剎閘、電路快速切斷開關(guān)等)的主要特點是瞬時釋放出大功率的能量:它們常用的驅(qū)動方式有直接電磁驅(qū)動、液壓和氣動三種方式。其性能對照見表 1。從表中可以清楚看出,液壓或氣動系統(tǒng)瞬時釋放大功率的特性遠優(yōu)于電磁驅(qū)動的方式。而液壓或氣動系統(tǒng)能量釋放是由開關(guān)閥實現(xiàn)的,為了實現(xiàn)快速性,關(guān)鍵是提高閥的開關(guān)速度。

表 1 三種驅(qū)動元件快速性的對照
技術(shù)特性類別
直流電磁鐵油缸氣缸
單位面積作用力小于 0.3MPa6~32MPa0.6~0.8MPa
最高運行速度小于 3m/s5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
剎車緩沖特性一般較好
維護容易較難容易
造價造價與功率大小呈直線上升較高較低
輔助設(shè)備直流電源油源氣源
實用瞬間功率0~幾十瓦0~20 千瓦0~18 千瓦
作為快速驅(qū)動元件的適用范圍用于機-電轉(zhuǎn)換的光導(dǎo)級、低功率漏電開關(guān)工程車輛的車閘適用于各種機械安全防護裝置、車閘
本文提出一種采用雙自由度閥芯構(gòu)成的雙級氣動高速開關(guān)閥,在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上,對其動態(tài)特性進行實驗研究。

氣動高速開關(guān)閥

2D 氣動高速開關(guān)閥采用雙自由度的設(shè)計思想,將導(dǎo)閥與主閥做在一個閥芯上,導(dǎo)閥由閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)其功能,主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動控制

氣動高速開關(guān)閥

閥芯的右腔為敏感腔,在閥芯的右端臺肩上開設(shè)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(dāng)力矩馬達驅(qū)動閥芯轉(zhuǎn)動,使 a 與 c 通時,則敏感腔處于高壓狀態(tài),這時閥芯將在壓力推動下左移,使 Po 與 PL 溝通;當(dāng) b 與 c 口溝通時,敏感腔處于低壓,閥芯右移,PL 與 Pa 溝通,閥芯是細長狀的,轉(zhuǎn)動慣量較小,容易實現(xiàn)快速擺動。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。這種結(jié)構(gòu)的閥實際上為二級結(jié)構(gòu),PL 口可以有較大的流量輸出,若不需要大流量可將 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平衡,a、b 和 c 口及通道均采用軸對稱的結(jié)構(gòu)。閥芯的旋轉(zhuǎn)運動由力矩馬達驅(qū)動。力矩馬達主要由銜鐵、導(dǎo)磁體及磁鋼構(gòu)成,具有雙穩(wěn)記憶功能,其工作原理如下:銜鐵與導(dǎo)磁體處于正常的工作位置時,形成四個工作系隙,銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場,而當(dāng)激磁線圈通電時,則產(chǎn)生兩個環(huán)狀的封閉的磁場,該磁場將使兩個對角處的系隙的永磁體的磁場分別得以加強和削弱,其結(jié)果使銜鐵快速擺動。當(dāng)銜鐵的端部到達閉合位置時,線圈的電流切斷,銜鐵在磁鋼吸力的作用下,其位置保持不變。這便使得該力矩馬達具有穩(wěn)態(tài)記憶功能。當(dāng)線圈通以相反方向的脈沖電流時,則銜鐵反向擺動。由于該力矩馬達具有穩(wěn)態(tài)記憶功能,可由強電流脈沖驅(qū)動,因而可確保其快速響應(yīng)特性。

實驗研究

將力矩馬達與閥體相聯(lián)構(gòu)成雙級高速開關(guān)閥,采用電渦流傳感器測量閥芯位移,閥芯最大位移為 0.5mm;用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形,實測的波形見圖 2。顯而易見,閥芯與電磁鐵相聯(lián)后,銜鐵的動作時間要略為多一些,但由于該閥芯的轉(zhuǎn)動慣量僅為銜鐵轉(zhuǎn)動慣量的 1/3,所以動作時間的增加并不多。相聯(lián)后實測得力馬達最大響應(yīng)脈沖信號頻率為 190Hz(驅(qū)動電壓 30V)。

給出閥動作時間與力馬達初始系隙之間的關(guān)系(壓力為 0.8MPa):從表中可以看出當(dāng) θ0 為 0.2 度左右時,閥的動作時間最短。當(dāng)系隙增大時,馬達的動作時間增大;當(dāng)系隙減小時,導(dǎo)閥開度較小,推動閥芯運動的供氣不足,這兩種因素皆使閥動作時間增大。

表 2 力馬達系隙與閥動作時間的關(guān)系
θ00.60.40.20.10.05
tr (ms)1.871.361.121.291.37

圖 3 給出了供氣壓力與閥動作時間的關(guān)系,它們之間近似呈二次曲線的變化規(guī)律。

結(jié)論

將雙自由度的閥芯運用于氣動高速開關(guān)閥的設(shè)計是成功的,它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調(diào)整力矩馬達的調(diào)隙螺釘可改變導(dǎo)閥(旋轉(zhuǎn)自由度)開啟面積大小。改變閥芯中央臺肩的寬度變化,可使閥成為二通型或三通型。

閥門的通徑為 φ6,閥門的開關(guān)時間為 1.3ms 左右。導(dǎo)閥的開關(guān)時間隨系隙調(diào)整螺釘?shù)母淖兌兓?,即調(diào)整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時間。對導(dǎo)閥而言,行程越小則開關(guān)時間越短,然而對主閥卻不是這樣的,只有當(dāng)銜鐵的行程達到某一值時,主閥的開啟時間最短。在機械加工精度保證的前提下,增大導(dǎo)閥的面積梯度,減小行程,可縮小閥的開關(guān)時間。

該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅(qū)動。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(qū)動閥芯,毋需克服彈簧力,從而使閥芯運動時間較短。另一方面采用瞬間通電,較大的瞬間電流使閥芯快速動作,又不會引起馬達線圈發(fā)熱過劇而燒壞。由于機構(gòu)中沒有彈簧,從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題,這一點對脈寬調(diào)制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。

綜上所述,將雙自由度的原理運用于高速氣動開關(guān)閥的設(shè)計是成功的,所設(shè)計的高速開關(guān)元件具有良好的性能,這種性能還可隨加工精度的提高而得到進一步提高。