三通球阀式高速开关阀稳态液动力分析与结构改进

三通球阀式高速开关阀稳态液动力分析与结构改进

畅兵1,孙帅军2,龙江军3

博雷（中国）控制系统有限公司 浙江杭州 3112001

博雷（中国）控制系统有限公司 浙江杭州 3112002

浙江三花商用制冷有限公司 浙江绍兴 3125003

摘要：随着工业的发展迅速,调节阀是工业自动化的重要组成部分,被广泛应用于电力、石油、化工、冶金等工业领域,主要对生产过程中流量、压力、温度等变量因素进行控制。随着温室效应的影响与生产需求的不断提高,现代化工业生产面临减少能源消耗与提高生产效率的要求,因此气动调节阀的应用场景越来越复杂,生产过程中相关变量的控制精度要求也变得更为严苛。这就对高速调节阀的定位精度提出了更高的要求。

关键词：三通球阀；高速开关阀；稳态液动力分析；结构改进

引言

当前，高速开关阀广泛应用于航空发动机燃油调节器、石油钻井设备等领域。由于高速开关阀应用在极端工作环境，对其性能提出了极高要求，即不仅要保证高速开关阀具有极高的频响特性，还需要在极为狭小的工作空间具备高通流能力。目前所研制的微小型高速开关阀的流量和频响是制约其工程应用的重要因素，而大流量和高频响都会增大阀芯所受的液动力，从而进一步影响阀芯运动状态。因此，调控液动力是提升高速开关阀性能的关键因素。

1原理方案设计

1.1智能阀的原理及功能介绍

智能液压阀的主要工作原理为通过压力位移传感器对主阀油液压力和阀芯位移的感知，将感知到的信号传递给微处理器，经过预置控制算法的计算，完成PWM控制信号的输出。输出信号通过CAN总线，再由先导阀的机电转换装置（压电感应材料，高速电磁铁或音圈电机）推动模拟比例先导阀阀芯产生一定的位移或者控制高速开关阀的启闭响应时间，从而控制主阀阀芯的位移变化，改变主阀的阀口面积来实现对主阀的流量、压力和方向控制，其中主阀的开口面积与PWM信号占空比的变化有关，因此只需实现对先导阀控制信号占空比的控制，便能完成对液压阀的功能控制。也就是说智能液压阀本质上来说是一种节流控制阀，可以设计通用的结构，通过实施不同的控制信号和参数，实现不同的液压控制功能。

1.2智能换向阀的结构方案设计

主阀结构采用三位三通滑阀结构，为防止泄露，中位机能采用O型；先导阀结构采用两个二位三通的高速开关阀分别控制主阀的两个控制腔。压力传感器通常使用嵌入型薄膜溅射压力传感器，主阀阀芯位移则采用LDVT位移传感器感知。其主要工作原理为：通过压力传感器和位移传感器感知阀的工作状态，并将感知信号反馈给处理器，根据预置的控制规则对先导阀输入PWM信号的占空比进行控制，进而在电磁线圈的作用下，将PWM信号转换高速开关阀的开关状态。因此可以通过输出不同占空比的PWM信号来控制两个先导阀的启闭时间，从而控制流向主阀控制腔的流量，在主阀控制腔的油液压力的作用下主阀阀芯完成一定的位移响应，最终实现对主阀流量，压力和方向的控制。

智能换向阀的结构主要包括主阀、先导阀、感知元件和控制器四大部分，在进行结构设计时，各部分要紧凑安装，提高集成化程度。

2高速开关阀模型

因为阀芯的稳态液动力随着阀口的开启逐渐减小且变化较大，方向为使阀口开启的方向；而逐渐减小的稳态液动力会使开启过程中阀芯受到的使阀开启的力变小甚至受到相反方向的力，使开启时间变长。因此，可通过优化阀口结构对开启过程中所减小的稳态液动力进行补偿，从而缩短阀口启闭时间。为了提高阀响应速度，采用直流24V与12V双电源供电，利用MaxwellCircuit软件设计高速开关阀线圈激励电压外部电路，当衔铁处于初始位置时，为了使衔铁快速吸合，给线圈提供24V直流电压信号;当衔铁与挡铁吸合后，给线圈提供12V、10kHz的高频PWM信号，使得衔铁以较小电流保持在吸合状态;当衔铁复位时，将24V直流电压源反接在电感线圈上，给线圈提供短时反向24V电压信号，以达到快速退磁、提高阀关闭速度的目的。模型中常量仿真参数如下。执行推杆组件质量m为2kg;执行机构膜片面积Ae为3.2×10-2m2;阀口最大有效面积Smax为1.8×10-6m2;执行机构行程L为16mm;执行机构气室初体积V0为1.1×103cm3;执行机构弹簧刚度Ks为2.33×105N/m;气体常数R为287N·m/(kg·K);环境温度T为20℃;执行机构弹簧预紧力F0为4.5KN;气源压力Ps为5×105Pa。研究对象的有些参数是已知的,可通过查询常用标准参数表或者直接读表获得,如气体温度、供气压力等。但仍有一些对系统特性影响较大的参数,如最大静摩擦力、滑动摩擦力以及气室的泄漏面积等参数无法通过上述方法获得,只能通过试验获取。

3稳态液动力分析

3.1球阀流场

当阀口1逐渐开启时，进油孔的流量随之增加，同时阀口2逐渐关闭，流体从控制油孔流经阀口2时受到的流阻增大，在控制油孔和回油孔压力不变的情况下，控制油孔和回油孔的流量会逐渐减少。在阀口1开度为0.065mm时，进油孔和控制油孔的流体均流向出油孔，阀仍处于回油状态，即阀口2处流体的动量变化比阀口1大，故回油孔阀球所受到的稳态液动力大于进油孔阀球；随着阀口1开度的增大，通过阀口2的流量逐渐减少，回油孔阀球所受的稳态液动力会逐渐减少，同时通过阀口1的流量逐渐增加，故进油孔阀球所受的稳态液动力会逐渐增大；由于阀口2的压差比阀口1的压差大，即通过阀口2的流量始终大于通过阀口1的流量，阀口2处流体的动量变化始终大于阀口1处流体的动量变化。

通常利用稳态液动力公式来分析靠近阀口部分阀球面的稳态液动力特性，流体流经阀口2后，回油孔阀球处的流场压力明显低于出油孔的压力，且受影响的阀球面在轴向上面积较大，因此不能忽视这部分阀球面所受的稳态液动力；同理，进油孔阀球的稳态液动力分析也应该包含整个球面。

3.3球阀稳态液动力

在阀口1开启的过程中，从控制油孔流向回油孔的流量逐渐减少，回油孔阀球处阀套小孔的流体压力增加，所以面1处流体的压力随着阀口1开度的增大而增大，故面1所受的稳态液动力方向为使阀口1开启的方向；随着阀口1开度的增大，通过阀口1的流量逐渐增大，在进油孔压力不变的情况下，面2处流体的流速逐渐增大，使得面2所受的趋向于阀口1关闭方向的液压力增大，故面2所受的稳态液动力方向为使阀口1关闭的方向。

结语

对于传统液压阀而言，其品种较多。对于结构确定的液压阀，功能也随之确定，应用灵活度较低，常常为了实现特定的功能，将不同功能种类的液压阀按照一定的方式组合起来，形成特定的液压回路系统，具有一定的冗杂性。根据系统构成的特点，液压阀经历了从手动阀到电磁换向阀，再到比例阀和伺服阀的发展历程。随着液压传动技术与电磁技术、自控技术以及计算机技术相互结合，出现了以比例阀和伺服阀为代表的机电液一体化技术，开辟了液压技术向高精度，高响应发展的发展阶段，随后以高速开关阀为代表的各种液压数字控制技术也相继出现，这些都为液压元件的智能化提供了一定的技术储备，但还未出现真正意义上的智能液压阀。

参考文献

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