比例锥型海水液压阀的发展.docx
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比例锥型海水液压阀的发展
1.介绍
为了解决环境问题和安全液压系统,使用像自来水这样的普通水作为工作流体的液压系统的发展取得了很大的成功。
在工业领域水在液压系统中的使用大大的少于油的使用,而且包含各种水液压的组件也尚未开发。
然而最近,随着各种材料如不锈钢和工程陶瓷,腐蚀,内漏,润滑问题的发生,而水液压可以被充分利用来解决这些问题。
相关的,对水液研究的最重要领域之一是为水液压系统的各种组件提供开发。
高性能水压控制阀如伺服阀和比例阀,是水液压系统中很重要的组成部分,控制阀已经被开发出来,但在实际维修和使用中仍存在价格问题。
此外,由于所有这些阀门采用滑动式滑阀,水温始终在零点附近导致水的粘度很低。
静压轴承已被用来防止摩擦阀芯和套筒。
再者,阀芯和套筒锁紧容易导致缺乏润滑。
最后,操作上产生的浪费是不可避免的。
图1比例锥形阀的机构比较
因此,在这个研究中,我们的目标是发展一个以水为主体的比例液压阀,这个液压阀具有通断功能,以及比例功能。
这个锥式纯水液压阀的阀芯在孔锥两侧有一个简单的比例孔结构,操作员可以通过这个结构对阀进行控制。
尽管这是一个简单的结构,对比普通的提升阀,还具有无泄漏的优点,锥位移可由比例控制和远程控制。
在这项研究中,由水粘度低产生的泄漏特性被应用到一个新的比例锥式纯水液压阀,它使用的泄露来自锥之间的比例和初始流量套无间隙的运行稳定阀芯的比例。
实验证实,主体阀和先导的流量呈线性关系,该比例阀芯的动态特性是令人满意的。
此外,改进的阀验证了适合PWM控制和水液压系统控制的实际应用。
2.比例锥型液压阀的设计和制造
如图1(a)所示的安德森提出的油液比例锥形阀的基本结构和控制原理。
该比例阀是由三个基本部分组成:
比例阀芯,安装在位置反馈槽两侧的比例锥孔形成的控制中心和连接到控制室的操纵系列。
在这里,比例阀芯由结构简单的安装在反馈槽两侧的机械阀芯构成。
通过使用此比例阀芯,控制口就是可变孔之间形成的凹槽和套筒的顶部。
由变量孔板的作用,比例锥型阀门给控制流量产生一个相应的位移反馈。
此外,阀芯输出流量持续的变化以响应其外的流量变化。
另一方面,为了保证初始比例油液压阀的操作的稳定,有必要设计如图一中所示的管孔下面的垫圈。
在这项研究中,比例锥型阀开发了新型水液压系统。
在设计纯水的比例锥型阀时,虽然耐腐蚀材料的使用是假设,许多由水的特殊性所引起的问题仍需要加以解决的以实现比例锥型纯水液压阀的结构设计和工作原理。
例如,由于水的粘度低,必然有大量的水从比例阀表面和轴套间泄露。
然后,由于没有足够的水润滑和侧向力施加到比例锥型阀,液压自锁会轻易发生。
因此,以上问题和比例阀与和套筒之间的摩擦需要有效的防止。
处于对这些水液压系统问题的考虑,建议将比例阀芯和套筒间的距离最小化,这样可能更容易制造。
此外,比例阀芯和套筒使用初期运行稳定时的泄露比例如图所示1(b)。
另外,均压槽的添加是为了防止液压自锁。
2.1理论分析
本节对主要使用比例阀芯并且以水典型特性为反馈方法的锥型纯水液压阀进行解释。
如图2所示,可用孔口方程
(1)和
(2)表示比例阀主流量和先导阀流量。
在油液液压系统中,来自动力设备的供应油液经过位置反馈槽,它是安装在比例阀的两侧,并且通向控制室。
这时,控制口开放区和流量控制可以写成
其中xi是比例阀与图2放大部分的套筒之间的搭接长度。
在油液比例锥型阀设计时,设计一个搭接长度xi是十分必要的。
随着这一搭接部分的使用,先导阀开始打开,泄漏流动产生立即开始运作,以稳定比例阀。
但是,因为水的粘度比较小,泄漏从比例阀和套筒间的q0处发生,如图2所示放大一部分。
在这项研究中,这种泄漏流q0为锥形阀由于初始比例发生的初始流。
因此,在这项研究里锥型阀中使用比例阀芯的提出这一设计是一个非常关键点,其中,xi等于0。
同时,从比例阀与套筒之间的通过流量可表示为式(5),使用泄漏环间隙方程,因为流动是特点是雷诺系数,从而允许被视为层流。
因此,开放区的控制口,控制流量,和比例锥型液压阀的操纵流量可表示为
方程(6)至(8),不同于方程(3)(4)
在吴和Kitagawa的报告中,已经通过证实了在稳态流力情况下对比例阀芯作用力非常微弱(即使在最坏情况下的实验,稳态流动产生的压力低于水压力七个百分点)。
基于吴和Kitagawa的实验结果,有可能忽略了由于流动人口到控制流孔的稳定状态,并根据吴的理论由于采用改进的阀门操作可以使用一样的有液压阀比例原则。
因此,忽略稳态流量,相关的顶部到底部的力平衡方程可推导出公式(9),并表示为方程(10)
在比例锥型液压阀的实际使用中,因由于操作流量和主流量的路径可以减少浪费流,它可以假设为pp=pm。
把式(10)代入式
(2),再由方程
(1)可得到方程(11)。
由流量qc和qp产量方程(12)和比例阀芯位移xm之间的关系可以推导出
将式(13)代入式(11),有可能获得主体流量和操纵流量之间的关系如下
如公式(5)所表达,q0比例阀芯和套筒之间的泄露流量,即流穿过固定孔的流量。
如果比例阀芯底部的供应压力ps和负载压力pm是恒定的,控制腔压力pc也一直处于稳定状态。
因为pc是由断面面积Am0所决定的,如公式(9)。
此外,qo为常数。
并且,它可以从公式(5)证明q0与h成正比关系。
当h很小时,泄漏量q0是很小。
图2.比例阀芯的简化模型
在上述理论分析的基础上,利用比例阀芯周围的泄露流量作为初始流量的纯水比例液压阀的主要流量qm是与操纵流量qp几乎呈线性关系的。
因此,纯水比例锥型液压阀的设计参数是十分必要的,如位置反馈槽宽度Wc,位置反馈槽的深度H,位置反馈槽的个数n,比例阀芯和套筒之间的间隙距离h。
位置反馈槽深度与比例阀芯位移到有效控制口开放区域的距离有关,因此位置反馈深度H和比例阀芯最大位移值的比例的设计非常关键。
另外,位置反馈槽宽度Wc是与比例阀芯的开放方式有关的,这也是一个非常重要的影响比例流量的特性。
将方程
(2)和(8)代入式(12)和再通过联立方程(5),(7),(9)和(10),先导阀xp的位移可以表示为方程(15)。
当比例阀芯底部的供应压力ps和负载压力pm恒定时,右边的第二项是不变的。
因此,先导阀xp的位移和开放区的控制口nWcxm呈线性关系。
在此公式中,当控制阀门xp的位移是假设常数,位移反馈槽宽度Wc增加,比例将下降到维持控制口开阔的状态。
因此,比例锥型阀流量也会减少。
相反,当位移反馈槽的宽度Wc减小,比例将会增加,而主流量也会增加。
此外,由于使用的比例阀芯作为对流体压力的支持,它不仅具有高硬度,而且能够承受力的干扰,如流动和摩擦,而且还能够控制大流量高速流动。
然而,当比例位移阀芯xm是太小,可能会很容易发生震动,尽管这种震动非常小,但由于比例阀芯具有高刚度,惯性负载阻尼不足。
因此,在实际设计方面,位移反馈槽的宽度Wc会设计的比较大,以此故意降低比例阀芯的流量增益。
如上所述,在此研究中,位置反馈槽的宽度Wc的设计会比较大,所以行程终端的设计是由公式(13)决定。
2.2比例锥型液压阀的原型制造
在这项研究中,对理论分析的有效性和设计建议的阀门原理进行了审查,对拟议的基本特点阀通过实验进行了证实。
原型纯水比例锥型液压阀是假设的。
图3式一个原型阀的。
图3比例阀主要部分的图片
阀的所有部件都是由降水硬化不锈钢AISI630制成的,因为奥氏体不锈钢如AISI304或AISI316不能适当进行热处理以改变硬度。
特别是,阀芯和比例阀座H900硬度应给予适当的热处理解决方案。
这个原型阀是按照一定比例制造的。
如图4所示,两个位置反馈槽在比例锥形阀两侧对称,其他有四个位置反馈槽在比例阀芯两侧对称。
从两种类型的比例阀来看,位置反馈槽Wc的宽度是同样的,设计为1.0mm。
此外,还安装两个有均压槽的宽度为0.5mm与深度为0.5mm的比例阀芯,如图4所示。
有可能防止比例阀芯和套筒之间的液压自锁,以及能避免发生故障和摩擦。
表1列出了上述比例阀的设计参数。
从比例最大的流量阀芯是由考虑水压动力单元的承受能力。
不过,如果建议在这项研究中通过增加比例阀芯的直径来实现原来的设计结构和工作原理。
图4两种位置反馈槽分别为两槽型和四槽型
3.通过实验得出的性能特点分析
为评价的纯水比例锥式液压阀的性能特点,通过试验加载得出图5、图8、图10。
供应压力由外部水液压动力装置实验系统通过溢流阀维持在7MPa。
利用Matlab/Simulink和TimeWindows目标实时运行,所有信号被回收,发送,显示和保存。
在实际使用纯水比例锥型液压阀时,它利用总体可取的流动。
因此,测试流程和主流程的路径加入到其中消除浪费流量和增加实用性。
然而,在实验图5中显示。
两个流道分离,主要针对测试点流量变化和主流量变化。
图5测试流量和主体流利做比较的实验装置
图6主要流量和试点流量之间的关系
图6显示了主要流量和试点流量之间的关系,因为在这里研究的压力介质为水,所以通过使用兽医医疗用的电子流变仪来衡量流量。
实验结果关注的是主要流量和试点流量的关系,它显示了通过对方程(14)进行理论分析而推导出的整体范围内的卓越的线性。
因此,比例阀芯式水液压阀的理论分析和设计方法通过这些实验得到了验证。
当先导阀的开放区是固定的,在方程(13)中,如果该位置反馈槽的宽度Wc变大,该比例阀芯的位移xm下降到与固定的控制口开放区维持相同;因此,主要流量减小。
相反,如果该位置反馈槽的宽度Wc变小,比例阀芯的位移xm变大,因此,主要流量增加。
在图6所示的实验结果中,通过增加一倍的位置反馈槽数量,位置反馈槽的宽度Wc变成两倍,该比例阀芯的位移xm降低一半。
因此,有四个位置反馈槽的比例阀芯的主要流量大约是只有两个位置反馈槽的比例阀芯的一半。
这些实验还证实了理论分析和提出的设计方法。
与此同时,为了调查动态特性,有必要来测量比例阀芯的位移。
在报告中,逻辑阀式油压比例阀芯的阶跃响应是直接测量的。
如图7所示,细长杆被贴于比例阀芯的顶部来直接测量位移。
图7附加用来测量动态特性的细长杆的逻辑阀式油压比例阀芯
但是,由于密封和摩擦的问题,难以附加细长杆到一些比例阀芯的顶部,所以这种方法不适合用于水压。
因此,在这项研究中,比例阀芯阶跃响应以下列四个事实为依据,通过间接测量控制腔压力Pc以下来预测。
第一,比例阀芯位移与试点流量成正比。
第二,比例阀芯位移的发生是由于分别施加于比例阀芯顶部和底部的压力导致的不平衡力。
第三,在稳定状态,控制腔压力Pc收敛到一定值,它由方程(9)决定。
最后,正如报告中所示,逻辑阀式油压比例阀芯阶跃响应的结果与压力波形的逆象图是几乎相同的,尽管比例的阶跃响应阀芯响应的时间略慢于的压力波形的逆象图。
为了间接预测比例阀芯的动态特性,实验设备如图8所示。
在这个实验中,使用了有两个两侧对称的位置反馈槽的比例阀阀芯。
图8比例阀芯动态特性研究的实验装置
图9控制腔压力pc的变化
图9显示了控制腔压力Pc的实验结果。
控制腔压力变化采用压力传感器来测量。
把双向正常密闭式高速电磁阀用作先导阀。
此阀的开启的响应时间ton=1.26ms,关闭的响应时间toff=1.46ms。
参考输入脉冲以2Hz载波形式应用于高速电磁阀,负载分别是40%和70%。
在试验中,因为载波频率高时,正常的压力变化无法观察,所以PWM控制的载波频率较低。
依靠输入脉冲的控制腔压力迅速的上升,与PWM信号的负载无关,会在0.06s内收敛到3.8MPa。
根据方程(9)进行理论分析,比例阀芯移动到一定位置,在这个位置,比例阀芯上部区域和下部区域的比例定义为S2,由供应压力ps和控制腔压力pc产生的力达到平衡。
因此,可以预测,控制腔压力经过大约0.06s收敛到3.8MPa时,该比例阀芯位移会在一定位置稳定下来。
同时,当阀门转换,会有一个大约100Hz的压力波动,如图9所示。
因为当高
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