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高速开关阀国内外研究现状及原理

作者:机械圈日期:2022-05-03浏览:421分类:液压传动

高速开关阀

1 高速开关阀的发展

国外早在50年代末就开始了数字阀的研制工作,但在1975年以前只限于实验室研究。高速电磁开关阀自二十世纪七十年代问世以来,国内外许多厂家、公司,竞相研制出不少的型式结构,对高速开关阀的研究和应用已经成为液压界的一个重要课题。

1.1 国外研究状况

英国最先开展高速开关阀研究,开发出两种特殊结构的高速开关阀,分别采用筒状、锥状的结构设计从而提高了阀体结构刚度,克服了传统电磁开关阀电磁作用力越大衔铁加速度越小的矛盾,使得当阀芯行程小于1mm时,阀的响应时间不大于1ms。

美国公司则于1984年推出了一种三通球形高速电磁开关阀,该阀的响应时间为:开启时间3ms,关闭时间2ms,工作压力10Mpa。

德国一公司成功地开发出一种适用于超高压下工作的高速电磁开关阀,该阀的开启时间为0.3ms,关闭时间为0.65ms。德国另一公司研制响应时间为0.2ms,工作压力为135MPa的超高压高速电磁开关阀。

日本一公司研制的高速电磁开关阀,为三位四通滑阀结构,最高工作压力为50MPa,响应时间为1ms,。

此类型高速开关阀的工作流量都甚小,需要的额定电磁力就较小。

各有特点,各有不同的实用范围,需要根据系统对电磁阀的性能、安装尺寸的具体要求选择合适的电磁阀结构设计。

1.2 国内研究状况

与国外相比,我国的高速电磁开关阀的开发研究工作起步相对较晚,有关高速电磁开关阀的研究始于二十世纪八十年代后期,所开展的工作大致可以分为两个方面,即一方面是跟踪国外的研究,探索电磁开关阀实现快速响应的基础理论;另一方面则是自主或合作开发高速电磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装置。

国内某厂研制成功了HSV系列高速电磁开关阀,该阀为螺纹插装式结构,阀的开启时间为3ms,关闭时间为2ms,最高额定工作压力为20MPa,额定流量为2-9L/min。

2 高速开关阀的分类

2.1 按照阀芯的运动形式分类

按照阀芯的运动形式,可分为:滑阀、球阀、锥阀、平板阀等。

球阀式结构简单密封可靠,工艺性好,行程短,动作灵敏,具有较大的面积梯度和较小的运动摩擦力,因而动态特性也较好,是一种普遍使用的阀芯结构。但是,球阀式结构作用在钢球上的液压力不平衡。参考文献中,对二位三通球阀的液动力进行了仿真研究。受液动力影响,只能做成小通径阀。在流量要求较大的场合,常用它做先导阀构成二级开关阀结构,这就降低了开关阀的动态响应速度。

锥阀式结构通过高低压平衡设计,可以消除液动力的影响,克服球阀式结构液压力不平衡问题,是高速开关阀的一种较理想的阀芯结构形式。但是,由于受工艺性能的限制,一般只做成二位二通式高速开关阀,而做成二位三通式高速开关阀的则较为少见,为了二位三通式锥阀两个锥面处能可靠密封,要求前后两个阀座具有严格的同度,这对于一些工作在高压、高频特殊环境中的高速开关阀来说,为了保证可靠的密封和阀芯不被卡死,加工精度要求非常高,加工难度大,制造成本高,而且,开关阀工作间隙调整困难。

平板阀不容易实现静态力平衡,一般只用于小通径或低压的场合。

2.2 按照工作时制分类

按工作时制不同,可分为:直接驱动方式,电磁阀的驱动电流与阀口开启波形相同,阀芯靠弹簧复位,一般用于普通的电磁元件;冲击电压驱动方式,为了提高阀动作的快速性,在阀动作的瞬间加一冲击电流使其快速换向,当阀动作后,电流稳定在一较小的值,使阀芯定位;脉冲驱动方式,在阀动作的瞬间通强电流,一旦阀动作完毕,阀芯自动处于定位状态,这种结构的阀具有双稳的工作特性即具有记忆功能,这种阀对于阀芯的位置为脉宽调制,而对电流信号为脉频调制,从减少发热及快速性的角度而言,脉冲驱动方式最为有利。

3 HSV系列高速开关阀的结构

3.1 常开二位三通高速开关阀的结构

这种高速开关阀的控制方式是PWM方式,即脉宽调制式。当脉冲信号为低电平时,电磁阀断电,回油球阀5在回油口和供油口压差的作用下向左运动,最终紧靠在回油阀座密封座面上,使回油口断开,供油口与工作油口连通,实现控制动作。当脉冲信号为高电平时,电磁阀通电,衔铁1产生电磁推力通过顶杆和分离销6使回油球阀一起向右移动,直到供油球阀靠到其密封座面中,此时供油中断,回油打开,实现回油

高速开关阀国内外研究现状及原理

3.2 常闭二位三通高速开关阀的结构

当电磁阀通电时,衔铁1产生的电磁推力通过顶杆和分离销6使回油球阀5与供油球阀7一起向右运动,此时回油球阀5关闭,供油球阀7打开,控制口为高压;而当电磁阀断电时,供油口与控制口断开,此时控制口与回油口接通,控制口为低压。

高速开关阀国内外研究现状及原理

HSV高速开关阀特点

4.1 结构简单紧凑

球阀组件中的钢球为普通钢球,阀座有两个同轴阶梯孔,钢球放在大孔内,限制钢球的径向运动,大孔周围开了四个对称槽,作为流体通道,大孔与小孔的台阶处有一个宽度约为0.1mm 的均匀密封环带,球阀开度通过选配分离销长度来保证。与普通滑阀相比,具有阀芯质量小、结构简单紧凑、便于加工等优点。

4.2 响应速度快

HSV 开关式高速电磁阀的小质量球阀为提高其响应速度创造了条件。除此之外,通过衔铁获得较大的电磁推力来提高响应速度。该阀在提高其推力方面采取了下述措施:采用软磁材料;减小衔铁与极靴间的气隙;增加线圈的安匝数。

4.3 重复性好

HSV为开关工作,重复性肯定好。

4.4 抗污染能力强

与普通滑阀相比,HSV高速开关阀配合偶件的径向间隙较大,偶件的配合段两端不存在压差,且球阀开度较大,因此具有较强的抗污染能力。

4.5 寿命长

HSV高速开关阀借助供油口与控制口间的压差作用使球阀回位,取代了普通阀中回位弹簧,使阀的寿命大幅度提高。该阀设计寿命为l亿次,试验寿命达2亿多次。

PWM(Pulse-width modulation)脉宽调制

PWM是使用数字手段来控制模拟输出的一种手段。使用数字控制产生占空比不同的方波(一个不停在开与关之间切换的信号)来控制模拟输出。额~~这个说的太专业了,还是说的通俗点。

以本次实验来看,端口的输入电压只有两个0V与5V。如我我想要3V的输出电压怎么办。。。有同学说串联电阻,对滴,这个方法是正确滴。但是如果我想1V,3V,3.5V等等之间来回变动怎么办呢?不可能不停地切换电阻吧。这种情况下。。。就需要使用PWM了。他是怎么控制的呢,对于arduino的数字端口电压输出只有LOW与HIGH两个开关,对应的就是0V与5V的电压输出,咱本把LOW定义为0,HIGH定义为1.一秒内让arduino输出500个0或者1的信号。如果这500个全部为1,那就是完整的5V,如果全部为0,那就是0V。如果010101010101这样输出,刚好一半一半,输出端口就感觉是2.5V的电压输出了。这个和咱们放映电影是一个道理,咱们所看的电影并不是完全连续的,它其实是每秒输出25张图片,在这种情况下人的肉眼是分辨不出来的,看上去就是连续的了。PWM也是同样的道理,如果想要不同的电压,就控制0与1的输出比例控制就ok~当然。。。这和真实的连续输出还是有差别的,单位时间内输出的0,1信号越多,控制的就越精确。

在下图中,绿线之间代表一个周期,其值也是PWM频率的倒数。换句话说,如果arduino PWM的频率是500Hz,那么两绿线之间的周期就是2毫秒。 analogWrite() 命令中可以操控的范围为0-255, analogWrite(255)表示100%占空比(常开), analogWrite(127)占空比大约为50%(一半的时间)。

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原文始发于微信公众号(梅科尔工作室)

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