（机械电子工程专业论文）高速开关阀控制的插装阀及其在冲床油路系统中的应用研究.pdf

摘要 液压数控冲床属于数控柔性板材加工设备，是当前冲压设备的主 流产品，广泛应用于机电产品及其他各金属板材加工行业。液压动力 系统是液压冲床的核心部分，目前我国还非常依赖进口，尤其是高速 高精度液压动力系统，价格很高。针对这种情况，本文进行了液压冲 床动力系统的研究。 液压动力系统实质上是一种高频、高压液压系统，其中的主换向 阀是系统的关键元件，目前主要采用的是电液伺服阀，它具有响应快、 控制精度高、运行平稳可靠的优点，但也有抗污染能力差、能耗大、 价格高、维护成本高等缺点。因此，本文提出一种二级先导控制的插 装阀方案和基于此方案的冲压系统并进行了研究，主要内容如下： 1 、分析了插装阀的一般控制方式，对以高速开关阀作为先导阀 控制的三种方案进行了分析和比较，确定了高速开关阀+ 液控阀+ 插装 阀的方案，进行了液控阀的结构参数优化选择和结构设计，仿真和试 验表明该方案满要求。 2 、对三套典型的液压冲压系统方案进行了分析，详述了各系统 的工作原理和优缺点，对共性特征进行了总结；然后提出了一种基于 二级先导插装阀的液压冲压系统方案，并确定了该液压系统的工作参 数。 3 、运用s i m u l i n k 建立了液压系统的仿真模型，通过建模和仿真 研究了冲压系统的动态特性和运动规律，对仿真结果和系统性能的影 响因素进行了分析。 4 、介绍了液压冲压实验系统的组成、主要元器件和实验方案； 对不同行程、不同流量下冲压油缸的位移特性进行了实验研究；对油 缸上、下腔压力变化情况进行了测试和分析。 关键词：插装阀，液压冲床，动态仿真，二级先导 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cp r e s si sak i n do fc o m p u t e rc o t r o l l e df l e x i b l es h e e t p u n c hp r o c e s s i n ge q u i p m e n ta n di su s e di ne l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t m a n u f a c t u r ea n do t h e rm e t a l p r o c e s s i n gi n d u s t r yb r o a d l y t h eh y d r a u l i c d r i v es y s t e mi st h ec o r ep a r t so ft h i sp u n c hp r e s s b u tm o s to fo u rn e e d s a l s or e l i e so ni m p o r t a t i o n ，e s p e c i a l l yt h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n h y d r a u l i cd r i v es y s t e m b e c a u s eo ft h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e rd os o m e r e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e m t h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mi sah i g hs p e e da n dh i g hp r e s sh y d r a u l i c s y s t e ma c t u a l l y , a n dt h em a i nv a l v ei st h ek e yc o m p o n e n t ，w h i c hu s u a l l y a r e e l e c t r i c a l - h y d r a u l i c s e r v ov a l v e i th a st h em e r i t ss u c h a s ：h i g h r e s p o n d i n ga n dc o n t r o l l i n gp r e c i s i o n ，w o r k i n gr e l i a b l y , e t ，s oi ti sw i d e l y u s e di ns t a m ps y s t e m b u tt h e yh a v et h ed i s a d v a n t a g e so ft h ep o o ra b i l i t y f o ra n t i - p o l l u t i o n ，t h eh u g ew a s t eo fe n e r g y ，t h ec o m p l e x i t yo ft h e c o n t r o l l i n ge l e c t r i cc i r c u i ta n dt h eh i g hp r i c e b e c a u s eo ft h i s ，t h i sp a p e r h a sd e s i g n e dat o wp i l o t c o n t r o l l e dl o g i cv a l v ea n dah y d r a u l i cs y s t e m b a s e dt h i sv a l v e t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) h a v i n ga n a l y s e dt h ec o m m o nc o n t r o l l i n gm a n n e r so ft h el o g i c v a l v e ，c o m p a r e dt h r e ec o n t r o l l i n gm a n n e r s t ot h el o g i cv a l v ew i t ht h eh i g h s p e e do n o f fv a l v ew o r k i n ga st h ep i l o tc l a s s ，a n dt h e nc h o o s i n gt h eb e s t s c h e m et h a tt h ep i l o tc l a s sa r ec o n s i s to f h i g hs p e e do n o f fv a l v ea n d h y d r a u l i cc o n t r o l l i n g v a l v e t h e p a r t i c u l a r s t r u c t u r eo ft h e h y d r a u l i c c o n t r o l l i n g v a l v ea l s oi s g a v e t h ef o l l o w i n g s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o np r o v et h i ss c h e m e v i a b l e ( 2 ) f i r s t l yt h r e et y p i c a lh y d r a u l i cp u n c hs c h e m e sa r ea n a l y s e d ，a n d e x p l a i n i n gt h e i rw o r k i n gp r o c e s s ，t h e i re a c hm e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e s p a r t i c u l a r l y , a tl a s t ，s u m m a r i z i n gt h ec o m m o nf e a t u r e so ft h e s eh y d r a u l i c p u n c hs y s t e m s s e c o n d l y h a v i n gd e s i g n e dah y d r a u l i cp u n c hs y s t e mb a s e d o nt h el o g i cv a l v ea n dt h e ng a v ei t sw o r k i n g p a r a m e t e r s ( 3 ) h a v i n gc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o nm o d e lw i t hs i m u l i n k t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h es y s t e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el a w o fw o r k i n gp r o c e s s ，t i c k i n go f fs o m ei n f l u e n c i n gf a c t o r st ot h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n ds y s t e m p e r f o r m a n c e ( 4 ) h a v i n gi n t r o d u c e dt h ee x p e r i m e n t a lp a n s ，t h em a i nc o r n p o n e n t sa n d e x p e r i m e n t a lp r o g r a m s ；s t u d y i n gd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s t a m p i n gc y l i n d e ri nd i f f e r e n ti t i n e r a r i e s ，d i f f e r e n tf l o wc o n d i t i o n s a l s o t h ep r e s s u r eo ft h e c y l i n d e rc a v i t yi st e s t e da n da n a l y s e d k e y w o r d s ：l o g i cv a l v e h y d r a u l i cp u n c hd y n a m i cs i m u i a t i o n t w o s t a g ep i l o tc o n t r 0 1 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名 日期：年 月日 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 冲压设备的发展概况和发展趋势 冲压是现代制造业中高速发展的重要技术，广泛应用于机电产品加工，尤其 是电子与仪表行业以及其他各金属加工行业。与其他机械加工成型方法比较具有 以下特点：生产率高、工艺相对简单、切屑少、冲压后一般无须精加工处理、材 料利用率高、同批工件的重复性精度高，特别是冲压设备实现数控化后易于形成 板材加工柔性制造系统，便于实现生产管理现代化。 压力机是进行冲压加工的主要设备，冲床是其中的一种，按照主传动的类型 冲床可分为机械式和液压式。传统的机械式冲床主要由电机、飞轮、离合器、制 动开关、曲轴、连杆和滑块等组成，其中离合器与制动器的性能直接影响到主传 动部件的工作效率和使用寿命，一般冲孔频率在3 0 0 次分以内，工作时噪声较 大，结构复杂。随着市场竞争的加剧，特别是制造业对柔性自动化技术及装备的 要求更加迫切，传统机械式的冲压加工设备，在技术性能、加工质量保证和可靠 性以及运转经济性方面越来越不适应现代汽车工业大规模、大批量自动化生产的 需求，2 0 世纪9 0 年代中期以来，液压传动方式越来越多地被采用，现已成为数 控冲床的主流方式。与机械式主传动相比，液压油缸取代了曲轴连杆等机械结构， 由液压站提供动力，两者通过液压阀连接，由专门的伺服阀控制卡程序化控制整 个系统的动作，并由连接于油缸活塞杆上的电子传感器适时测量和反馈，最终实 现对冲头位置、行程及速度的精确控制。近年出现的伺服电机驱动式数控冲床， 也正在以其具有的高效、节能、环保等优势，得到广大用户的认可，成为数控冲 床未来发展的一种趋势，但还不是市场主流产品，只有a m a d a 等极少数厂家生产。 液压主传动的优点主要表现在以下几方面： ( 1 ) 根据板料厚度、冲孔类型、送料速度和距离等因素，在程序中设定不同的 预压点位置与适当的上死点位置，尽量减少冲头行程，并通过参数优化消除送料 与冲压的间歇时间，从而提高了冲压频率。 ( 2 ) 由于冲头在整个冲压循环中的速度可以参数化改变，通过降低冲头在接触 板料时的速度，减轻了冲击和振动，从而降低冲压噪声。 ( 3 ) 冲压工艺性得到进一步扩展。不仅可以进行高速打标、快速冲孔，而且由 于冲头停止精度高，全行程均能发出最大冲压力，因而适合于完成一些如拉深和 滚压等特殊成形加工工艺的生产n 儿副。 当前，先进的冲压设备发展趋势为： ( 1 ) 高速化、高效化、低能耗。提高冲压系统的工作效率、降低生产成本。 ( 2 ) 机电液一体化。充分利用机械和电子方面的先进技术促进整个液压系统的 完善。 ( 3 ) 自动化、智能化。微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供 了充分的条件。自动化不仅仅体现在加工，同时实现了对系统的自诊断和自调节， 还具有故障预处理的功能。 ( 4 ) 液压元件集成化、标准化。液压系统的集成减少了管路连接，有效地防止 了泄漏和污染，标准化的兀件为机器的维修带来了方便“。 1 1 2 液压冲床的国内外研究现状 目| j i 国外使用数控冲床进行冲压加工生产已经相当普遍，在发达国家其应用 已经进入普及和成熟阶段，比较著名的生产厂商有美国的w i d e m a n n 、s r r i p p i t ， 同本的a m a d a ，德国的t r u m p f 、b e h r e n s 、h a r a i 、n i x d o r f ，英国的r h o d e s ，瑞 士的p u n n l x a 等公司。国外将数控技术用于高速精密冲压设备已发展得相当完 善，一般高速冲床的冲压频率均为4 0 0 次m i n 以上，有的甚至高于1 0 0 0 次m i n 。 目前，市场上的数控液压冲床主传动采用的液压系统主要有两类： ( 1 ) 德国哈雷公司的专用于冲床的系列产品，如图卜1 所示，其具有技术领先， 规格齐全，性能优良，低耗节能，便于维修等优点，在国内外均有较高的市场份 额，国内机床制造厂家普遍采用了哈雷公司的系列产品。 图卜1 哈瑞液压系统总成 ( 2 ) 施耐德、力士乐公司的伺服阀控制液压系统具有响应速度快、位置精度高 等特点，但存在能耗及发热量大，维修成本较高等不足“。 国内发展比较完善的冲压技术主要还是机械式。目前国内生产液压数控冲床 的厂家主要有：江苏扬力集团有限公司、江苏金方圆数控机床有限公司、济南捷 迈数控机床有限公司、江苏亚威机床有限公司等，以上四家机床制造厂家生产的 数控冲床大约占具国产数控冲床市场7 舭8 0 的市场份额。国内独立生产的液 压冲床大都是结构简单自动化程度不高的产品，比较完善的高速精密冲床在国内 起步较晚，冲压频率一般在3 0 0 次m i n 以下，与国外先进水平相比存在很大差 距，而且所用液压系统依赖国外进口( 如江苏金方圆数控机床有限公司的冲压速 度高达1 0 0 0 次m i n 、2 5 m m 步距可达3 9 0 次m i n 的v t 系列冲床就是与瑞士r a s k i n 公司合作生产的，配置德国生产的数字型液压系统，冲压速度可达6 0 0 次m i n 、 2 5 m m 步距时可达3 5 0 次m i n ”1 ，江苏亚威机床有限公司的h i q 系列高速智能化冲 床的液压主传动系统为日清纺公司提供，江苏扬力集团的m p 系列数控冲床也是 采用进口的液压系统) ，系统的控制部分也是采用国外技术，成本很高，不适合 我国目前经济发展状况，因此我国数控压力机应尽快向精密化、高速化、柔性化 方向发展。 图卜2 典型液压敷拉转塔冲床产品圉 目前。国内外生产厂家制造出的先进数控高速冲压设备，其基本特点为： ( 1 ) 滑块行程次数高，滑块行程次数一般高于2 0 0 次1 i n ； ( 2 ) 精度要求高，尤其是对压力机的动惫精度有很高的要求； ( 3 ) 振动和噪声要求小，设各的动平衡性要求高； ( 4 ) 制动性能要好： ( 5 ) 检测控制系统完善，一般采用p l c 控制器和数控技术对冲压设备各元件和 参数进行检测和设定来实现工作过程的自动化； ( 6 ) 其他辅助设备齐全，配各自动送料和废料剪切等机构。 1 1 3 我国冲压设备的市场需求 板材冲压加工设备广泛应用于通讯设备、电力开关、电梯、汽车、农机、仪 器仪表等行业的零部件生产加工。由于这些行业产品品种繁多、形状复杂，而且 改型频繁，使用传统的通用压力机不仅劳动强度大、生产率低，而且在改变产品 结构时投资较大，换向周期长，难以满足现代化生产的需要，而传统的机械式、 简单的液压式冲床已适应不了多变的市场需求，而使用数控冲床则可以很好地满 足以上的要求，而且加工质量好，生产效率高。这些对高速冲压设备大量需求的 企业大都是国家大力扶持的行业，特别是汽车、通讯和电力，是我国国民经济支 柱产业。这些行业对数控板材冲压加工设备的需求越来越大，据行业管理部门调 查预测，目前广东市场对数控板材加工设备的年需求总量为5 0 0 - 8 0 0 台套，市场 总值人民币8 1 0 亿元，全国年需求总量为3 0 0 0 5 0 0 0 台套，市场总值人民币 4 0 6 0 亿元。而且行业对设备的性能指标也提出了更高的要求，如设备应具有更 高的生产效率和可靠性哺1 。 另外，由于不同行业、不同企业对冲压设备的功能、精度要求并不相同，而 购进的国外数控冲压设备，有的尽管产品功能较多，却有许多过剩功能没有被利 用从而降低了设备的使用效率，而且维修困难，因此目前越来越多的国内产家倾 向于使用国产的数控冲床。但由于目前国产的数控冲床的关键部件如高速液压动 力系统尚需进口，技术部分国产化率低，其价格仍然很高，大大超出了国内一些 中、小型企业的经济承受能力，他们迫切需要的是适合于我国生产力发展水平、 自动化程度较低、经济实用的数控高速冲床阳1 。 1 2 课题的提出及研究内容和目的 1 2 1 课题的提出 液压冲床的液压动力系统是其核心部分，而高频换向元件则是液压动力系统 的关键元件，目前主要使用的高频换向元件( 主换向阀) 及其各自的性能特征如 下 1 0 】 1 2 】 ( 1 ) 电液伺服阀：伺服阀是电液联合控制的多级伺服元件，具有响应快，控制 精度高，运行平稳可靠的优点，被广泛应用于高速冲压系统中。但是伺服阀也有 抗污染能力差、能耗大、价格高、维护成本高等缺点。 ( 2 ) 电液比例阀：其特性介于电液伺服阀与普通开关阀之间，响应频率高，并 且对油质要求一般，价格低廉，阀内压力损失较低，效率高，在高速冲床油路系 统中也是种不错的选择。 4 ( 3 ) 电液换向阀：它集合了电磁换向阀和液动换向阀的优点，既可方便的换向 也可以控制较大的流量，但是其换向频率不高，一般交流电磁铁工作频率低于 6 0 次m i n ，直流电磁铁频率在2 5 0 次m i n 左右。 ( 4 ) 快速开关阀( 高速开关阀) ：它借助控制电磁铁产生的吸力使阀芯快速正反 向运动，实现快速换向，它具有结构简单、价格低、抗污染能力强的特点，在快 速换向回路中得到广泛应用。但它允许通过的流量小的缺点影响了快速液压系统 的性能。 ( 5 ) 二通插装阀：具有结构紧凑、流量大、响应快、密封性好、工作可靠及方 便系统集成等特点，目前在低频的压力机液压控制系统中被广泛应用啼1 。但是在 高速冲床液压系统中，由于插装阀的控制为先导式，需要设计较好的先导控制回 路与之配合才能达到较高开关频率，目前的先导油路控制效果欠佳而导致精度不 高，工作频率不高，适用于高频换向的插装阀系统还有待进一步研究。 冲床按其冲压频率分为小高速和高速，冲次每分钟三百次左右的，业内称为 小高速；大于五百次的，称为高速；大于一千次的，称为超高速。本课题研究的 数控冲床冲压频率约3 0 0 4 0 0 次分，其液压系统的主换向阀采用一种二级先导 控制的插装阀，处于第一先导级的高速开关阀控制位于第二先导级的液控阀，而 液控阀的进出口与二通插装阀的控制腔连通，利用高速开关阀的高频开关特性和 液控阀的大过流能力实现插装阀在大流量工况下的高频换向，从而实现液压系统 较高的工作频率。本系统具有结构简单、元器件数量少、方便系统集成及成本低 的特点。 1 2 2 主要研究内容 ( 1 ) 研究一种以高速开关阀和液控阀作为先导级的插装阀控制方案，分析该方 案的工作原理、主要性能参数和设计要点，根据液压系统的工作要求确定其主要 技术参数、结构参数，并选择合适的液压元件； ( 2 ) 研究以上述插装阀为主换向阀的高速冲床液压系统方案，对液压元件进行 设计和选用，并对系统性能参数进行分析、研究； ( 3 ) 对液压系统进行数学建模，根据系统的流量、压力、运动特征，建立系统 的动态数学模型和仿真模型； ( 4 ) 运用计算机对液压系统进行数字仿真，以建立的系统数学模型为基础，利 用m a t l a b 对不同冲程和负载下的实验系统进行仿真，得到仿真曲线。并在仿真 的基础上对该系统进行动态分析，根据系统的仿真结果对系统进行改进和优化； ( 5 ) 对设计的冲压系统进行实验研究，检验该方案的设计合理性，分析存在问 题并提出完善措施。 1 3 本章小结 本章主要介绍了课题的研究背景和意义，分析了国内、外数控冲床的现状和 发展趋势，简述了国内冲压设备的市场现状及发展方向，最后介绍了课题的来源 和研究的主要内容。 6 第二章基于高速开关阀的二级先导插装阀研究 高速液压冲床是当前冲压设备的主流产品，其液压系统对换向阀主要有如下 要求：过流能力大，换向频率高。而二通插装阀具有结构紧凑、流量大、响应快、 密封性好、工作可靠及方便系统集成等特点，目前虽在常规液压系统中应用广泛， 但是在高速冲压油路系统中市场上未见其应用。这是由于采用普通控制方式时， 插装阀或者控制精度不高，或者换向频率过低，较难满足在高频冲压条件下冲压 的精度要求。而影响上述两者的关键就是插装阀的先导控制方式。课题所研究的 冲床液压系统其主换向阀拟采用以高速开关阀作为先导控制级的二通插装阀，这 样既可利用开关阀的高频的换向能力又可发挥插装阀的大过流、快速通断能力， 实现冲压系统油路的高速大流量换向。 2 1 插装阀及其控制方式 插装阀是国际上2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的逻辑阀，通过对插装阀的不 同组合，可以实现不同的液压逻辑回路功能，因而又称为逻辑阀。它以二通型单 向元件为主体，采用先导控制和插装式连接，主要应用于高压、大流量液压系统。 它由插入元件、先导元件、控制盖板和插装块体四部分组成，插入元件插装在插 块体中。通过开启、关闭和调节开启量的大小来控制液流的通断、流向、压力和 流量，实现对执行机构的方向、压力和速度的控制，其功能符号如图2 1 所示。 根据安装方式的不同，分为滑入式( 直接插入式) 和拧入式( 螺纹式) 两种。根据控 制形式可分为普通的方向、流量和压力控制的先导比例控制两种n 2 儿1 3 3 。 插装阀具有如下优点n 钔n5 | ： ( 1 ) 由于主阀口是锥阀，密封性好、泄漏量少、流动阻力小、通流能力大，适 用于高压、大流量液压系统中； ( 2 ) 主阀芯质量小、结构紧凑、行程短，所以动作迅速、响应快、冲击小；主 阀用逻辑信号控制，使主阀易于接受先导控制，方便组成各种调压、调速功能的 阀，易于实现逻辑控制、比例控制以及计算机的数字控制； ( 3 ) 插装形式易实现集成化，并通过采用整体式、块式和叠加式提高集成度， 实现的功能更多样； ( 4 ) 它的通流能力也比普通的滑阀大得多，还由于其组件均是插装于液压集成 块内部的，所以用插装阀组成的液压集成系统的结构大为缩小。 具有以上诸多优点，使得插装阀一经推出后，就得到了快速的发展和应用。 7 尤其在大流量、多机能和高集成方面得到迅速的发展，广泛应用于大型的机械设 备中。 对插装阀的控制主要就是设计不同的先导级控制方式，不同的先导阀的配合 能够实现不同的使用功能旧1 。二通插装阀的控制方式是指控制腔c 的控制油取自 何处，一般有三种方式： 内部控制一腔控制油取自插装阀的内部，即a 口或者b 口，有时为了防止阀芯的反向开启，也可以从a 口和b 口同时引入，但需要加一个梭阀再进入c 腔。内b 控方式的优点是油路简单经济，不用外加控制油泵，阀 芯具有自锁能力，在一般的液压系统中应用较多。其缺 点是c 腔随进油口工作压力变化而变化，且其值不可能 超过主阀的工作压力，这就不能保证主阀芯上下形成有图2 - 1 插装阀符号图 效的压力差，致使阀芯关闭速度较慢，甚至影响阀芯可靠的关闭。 外部控制叫腔控制油取自插装阀的外部。其优点是控制压力可以高于主 阀的工作压力，控制压力比较稳定，使主阀芯上下形成一定的压差，阀芯关闭较 快、较严。缺点是阀芯没有自锁能力，易受主油路压力变化的影响可能造成阀芯 反向开启。显然，外部控制还需要有单设的外部控制油源。 内外部控制叫腔控制油同时取自主阀内部和外部，这种控制方式兼有内 部控制与外部控制两者的优点，使阀芯可靠工作，并较快开启或关闭，多用于工 作要求较高的油路2 1 。 2 2 高速开关阀介绍 高速开关阀与普通电磁阀在工作原理方面并无本质区别，也是利用电磁力和 弹簧驱动阀芯以改变油液流向，通过关闭或接通油路来进行控制。由于高速丌关 阀阀芯行程很小，因而能以很高的响应速度跟踪控制信号，便于计算机进行实时 控制。 高速丌关阀的形式多种多样，譬如螺管电磁铁式、盘式电磁铁式、力矩马达 和压电晶体式等多种。就输出力的大小来看，螺管电磁铁和盘式电磁铁式的输出 力比较大，但这种转换装置受运动部件的影响和线圈匝数的影响存在电磁时间延 迟，动态性能较差。力矩马达动态性能较好，但它输出力矩，需要转化为力时， 输出力不大，且结构复杂，价格高。压电晶体是一种利用在压电材料上施加一定 的电压，压电材料便会产生相应变形，利用该变形带动滑阀阀芯运动的电一机械 转换元件，它工作时无噪声、工作可靠性及稳定性好，易于实现微型化，尤其是 他的响应性非常快，可获得极高的位移精度。它切换时间短，输出力也大，动态 主厦点生熊主堂毽监毫蔓三茎基王直运珏羞固瞳三趣盎昱撞剑的搔整固班宜 性能最好1 ”。 本研究采用的是贵州航空工业总公司红林机械厂与美国加州b k m 公司联合 研制生产的高速螺线管式电磁阀鹏v 系列二位二通高速开关阀。下面就其工作 原理、特点、用途以及性能参数做简要介绍。 ( 一) 结构原理 高速开关阀的结构如图2 - 2 所示，实物外形如图2 3 所示。其工作原理如下： 当线圈通电时，衔铁l 产生的电磁推力通过顶杆5 使球阀6 向右运动，供油球阀 7 最终紧靠在供油球阀的密封座面上，使供油口与控制口断开，控制口没有液压 油输出。当线圈断电时，供油球阀6 在供油口和控制口压差的作用下向左运动， 使供油球阀7 打开，控制口有液压油输出。 斟竺一 图2 - 2 高速开关闱结构图2 - 3 高速开关阚外形实物图 衔蚨2 巍圈3 概靴4 月体5 日* 球目 6 轩7 供* 球月 ( 二) 高速开关阀的性能特点 高速开关阀的显著特点如下( 以i f f s 型高速开关阀为例) ： ( 1 ) 结构简单紧凑 球阀组件中的铜球为普通铜球，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，小孔台阶处有一个宽度约为01 ，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。 ( 2 ) 响应速度快 h s v 系列高速电磁阀的小质量球阀为提高其相应速度创造了条件。除此之 外，还通过以一f 措施以获得较大的电磁推力：( a ) 采用软磁材料。衔铁和极靴采 用1 j s o 软磁材料；( b ) 减小衔铁和极靴间的气隙。减小气隙可以降低磁阻、增 大推力、提高响应速度，但会导致磁力对气隙变化敏感，故必须对气隙进行精确 控制。h s v 系列高速电磁阀确保气隙变化范围在士0o l i n 内；( c ) 增加线圈的 安匝数。h s v 系列高速电磁阀采用小阻抗线圈通过提高线圈电流来提高匝数。 但电流过大会导致线圈过热。为了解决这个问题，h s v 系列高速电磁阀的输出电 路中具有可变电压输出特性。 ( 3 ) 重复性好 h s v 系列高速电磁阀阀座的大孔、小孔及密封环带三者具有较高的同心度， 钢球与其导向孔配合间隙小，保证了阀的可重复性。 ( 4 ) 抗污染能力强。 ( 5 ) 寿命长，开关次数大于一亿次。 2 3 插装阀的控制方案 通过上述对各阀的结构和控制特性的了解，结合冲压系统的工况，得出以下 结论：主油路压力、流量必然波动频繁且剧烈，且换向频率较常规插装阀油路大 得多因此，在冲压系统中，插装阀不适合采用内部和内外部控制方式，故选 用外部控制。对于高速冲床来说，其控制精度很大程度上决定于油路的换向精度， 而换向精度的主要指标就是阀的响应时问，即从得到信号到阀口达到预定开口量 的平均时间。文献高速开关阀的设计与研究报道使用高速开关阀作为先导阀， 用二通锥阀作主阀进行实验，得到先导阀的开关时间为3 5 m s 、5 5 m s ，主阀( 即 二通插装阀) 开关时间为0 8 m s 、3 m s ，最大空载流量6 0 l m i n 乜；文献一种大 流量高速开关阀的研究与设计报道使用磁致伸缩式高速开关阀作为先导阀，二 通插装阀作为主阀，得到的不同情况下总开关时间分别为5 1 2 m s 和9 2 2 m s ， 最大空载流量1 2 0 l m i n 幢2 l 。文献电控柴油机用大流量高速开关电磁阀性能试 验研究报道该文作者所在课题组自行设计的，使用双自由内锥阀芯结构的高速 电磁阀，并对该阀进行了实验。该文未提及具体的开关时间及相应流量乜引。上述 文献及研究结论对本课题研究有较大参考意义。 高速开关阀直接作为插装阀的先导控制级，即单级先导控制( 图2 4 所示) 。 其中，高速开关阀选用h v s 型，插装阀选用v i c k e r s 系列，2 5 m m 通径，阀芯行 程可调，如图2 - 5 所示。 实验油路如图2 - 6 所示，系统压力为i o m p a 。实验测试中发现，在低频工况 下该方案是可行的，能够稳定地启闭，测试结果如图2 7 所示，而在高频工况时 出现换向频率不稳定、插装阀阀口不能有效闭合甚至不能闭合的异常情况，如图 2 8 所示，在5 h z 以上换向频率时阀芯换向周期混乱，且阀口几乎不能有效关闭， 阀芯位移约在3 m m 开口行程上下无序振荡。 1 0 b p t a 图2 - 4 单级先导控制的插装阀 1 先导阀2 二通插装阀p 、t 高低压油口 a 、b 进出油1 ：7 匡6 3 0 图2 - 5v i c h e r s 可调行程插装阀 图2 - 6 单级先导控制的插装阀试验油路 ；，烈乙。羔雕，u 一产n 三一脒 1 21 41822 ，2 t i m e s 图2 - 7 单级先导控制的插装阀阀芯位移测试曲线( 换向频率：3 h z ，时间：1 0 。2 ) 图2 - 8 单级先导控制的插装阀阀芯位移测试曲线( 换向频率：1 0 h z ，时间1 0 一s ) 分析原因，主要是由于作为先导级的高速开关阀的最大过流量太小所致。高 频换向时，插装阀的控制腔油液通过先导阀控制油口进出，如果先导阀的通流能 力太小必将阻碍控制油的迅速通过从而影响插装阀换向时问和速度，由于高速开 关阀仍然在换向信号作用下高频切换控制油路而插装阀却不能相应地及时通断， 导致油路换向混乱，这可从如下计算说明： 如果插装阀的开启时间按照上述文献结论取为0 8 m s ，v i c k e r s 系列1 6 m m 通径的控制腔容积为4 4 m l ( 8 唧行程时) ，则先导级高速开关阀需要满足的过流 量为： q 。= 1 7 m l o 8 m s = 1 2 7 l m i n( 2 - 1 ) 插装阀芯行程取5 m m 时，q 。= 6 3 5 l m i n ，均远远超过高速开关阀的过流能力， 也非一般作为先导级的换向阀所能承受，因此，在满足主油路最大流量需求的情 况下必须必须从减小插装阀控制油腔的容积、缩短阀芯行程、加大先导阀过流量 三方面着手选型设计。 高速丌关阀由于结构上的原因，一般最大为l o l m i n 乜4 l 。一种方法是通过并 联多个高速开关阀作为先导级来增大过流能力，其原理图如2 9 所示。为三个高 速开关阀并联，其最大通流能力理论上并可扩大为单个开关阀的三倍，n 个并联 则扩大为n 倍，于是总能通过不断增加并联的开关阀数目来扩大先导级的过流能 力从而达到插装阀换向所需通流要求。实验表明，在主阀最大流量不大的情况下 这种方法是有效的，所需并联的开关阀数目不至太多，液压集成块设计加工也不 会太复杂、体积太大。但是当主阀流量较大时，比如采用2 5 m m 以上通径的插装 阀时要实现插装阀芯的快速响应，先导控制级的瞬间流量会急剧增加( 如2 一l 式 计算结果示) ，通过并联开关阀的方式来满足最大过流量需求既不经济也不容易 实现，且集成阀块体积结构过于庞大、复杂，另外，由于高速开关阀也存在响应 延迟( 响应的滞后时间为3 5 一- 5 5 m s 担司) ，其阀芯动作并不完全同步，从而影响 换向速度和精度。 图2 - 9 三个高速开关阀并联方案 1 、2 ，3 均为高速开关阀p 为压力油口 1 2 本课题所要设计的高速冲床冲压油路其主油路最大瞬间流量较大，拟选用 2 5 r a m 通径的插装阀为主换向阀，为此设计了如图2 1 0 所示的另一先导级流量放 大方案。在高速开关阀和插装阀之间增加级液控阀，高速开关阀直接控制 液控阀的换向，液控阀则与插装阀控制腔直接连接。由于液控阀的过流能力较开 关阀大得多，插装阀控制腔的油可以迅速通过其排出，大大减少了插装阀开启时 间。其中液控阀结构设计方案借鉴插装阀口的形式，如图2 - 1l 所示啪h 驯，使它 具有阀芯质量小、换向迅速、过流量大的特点。这种二级先导控制方案既有效利 用了高速开关阀的高频性能又避开了其通流能力小的局限性，从而使得插装阀的 高频大流量换向成为可能。 图2 - 1 0 二级先导控制的插装阀 1 、2 高速开关阀3 液控阀4 插装周p 。t 分别 为高低压油1 2 a 、b 分别为进出油口 绷；4 蚣 jj 1 a h o 1 黝镢 p 1 图2 - 1 1 液控阀结构简图 为了对该方案的控制性能有较为深入的认识，同时为下一步的结构设计和 参数选择提供依据，需要对其进行建模仿真研究，最后予以实验测试。 2 4 二级先导控制的插装阀数学模型 2 4 1 高速开关阀 高速开关阀结构，包括电磁和机械两部分，各部分特征关系如下啪h 圳： ( 1 ) 线圈的端电压增量方程 a u ：t 亟譬+ ( 足+ 名) a i + 屯了d ( a x ) ( 2 2 ) “ 其中：r c 线圈电阻；r r 放大器内阻；l c 线圈电感；k e 线圈感应 电动势系数；式中，第一项为衔铁运动时产生的反电动势，该项值的大小与电流 的变化成正比，当电流为零时因无磁通，值为零；第二项为线圈压降，它是线圈 发热的主要原因；第三项为自感电动势。 ( 2 ) 衔铁一阀芯组件的位移运动比例关系 高频电磁铁得电时，产生的推力作用在杠杆上，通过杠杆机构推动球阀的阀芯向 1 3 左运动；失电时，球阀的弹簧推动杠杆机构，使高频电磁铁的推杆恢复原位。杠 杆机构的力平衡方程为： c a = ( ( 4 5 一口) ( 2 3 ) 式中，f _ 、f 。分别是作用在杠杆两端的力，其中：f 。为高频电磁铁作用在杠杆( 如 上图示) 上的力；f j 为球阀作用在杠杆上的力，a 为杠杆长臂端的长度。可得其 比例关系为l = a ( 4 5 一a ) 。 ( 3 ) 衔铁一阀芯组件的力平衡方程 ( m 。+ 等) 竽+ 吃警+ 等缸+ 丝学缸= 峨 ( 2 4 ， 式中，一衔铁的质量；m ，一阀芯的质量；k ，机械弹簧刚度；卜衔铁与阀芯位 移比例系数；c 厂球阀阀口流量系数，取c 。= 0 8 0 9 ；b r 阻尼系数；v 卜阀 口面积梯度；a 一阀1 3 射流角，取6 9 。；卜阀1 3 前后压力差m 1 。 仿真的输入信号为矩形方波( p w m 信号) ，其动态响应特性如图2 1 2 - 图2 一1 2 高速开关阀动态特性曲线 上图中的t 。和t 段，一般为3 - 5 m s 。由于高速开关阀的响应频率很高，最 高的可达1 0 0 h z 以上，而本冲压系统所需频率远低于其极限值，故阀芯位移的响 应滞后时间段，可使用延时处理，高速开关阀的开、关动作就可简化为延时后的 阶跃信号，即开启后相当于一个带阻尼的阀口，需要关注的性能特性就是他的过 流量q 。了，其中： q = g 。4 。d 2 ( 见。一p ，) p ( 2 - 5 ) 式中：q s _ 一高速开关阀输出的平均流量，m 3 s ； c 厂- 高速开关阀的流量系数，m 3 s ； a 。高速开关阀阀口的最大开口面积，m 2 ； p 。高速开关阀控制油源压力，p m p 。高速开关阀出口压力，p a ； p 液体密度，k g m 3 1 4 2 4 2 液控阀 结构如图2 1 1 ，液控换向阀是具有匹配对称节流口的双边对称锥阀m m 引，其 力学特性方程为： 由左一右位换向： ( 三皿2 + 4 z ) 日一4 一p o 一号d 3 2 弓一2 聊王+ 髟主 ( 2 6 ) 由右一左位换向 ( 署砬2 + 4 z ) 日一4 - p o 一；色2 弓一2 聊羔+ 髟主 ( 2 7 ) 式中：i l r 主阀芯质量； x 一阀芯位移； d ：、d 厂左、右控制腔截面直径，姗： d 一阀芯锥阀体大径，唧； p 。一控制油压，1 0 6 p a ： p 广回油路阻力引起的背压，1 0 6 p a ； p 广控制油回油压，1 0 6 p a ； b ，一摩擦阻尼系数； a 。、a 。2 - 分别为t 腔、d 腔油压的有效作用面积，舳2 。 f 。一阀芯所受的稳态液动力( 过流条件与插装阀芯内流式相近) 口5 1 ，其值 为： = 2 a ( x ) a p c o s 屈( 2 - 8 ) 式中：q 。广截面流量系数，其计算公式为： d 2 不赫( 2 删 a ( x ) 一过流截面积( 与阀芯开度x 有关) ，p - 阀进出口压差， bs - 阀口斜面倾角。 仿真建模时不计阀内油液的压缩、阀芯的质量、粘性阻力。 2 4 3 插装阀 二通插装阀结构如图2 1 3 ，根据冲压系统最大估算油液流量，选用v i c k e r s 盖板式插装阀系列，流量压差特性如图2 - 1 4 所示，阀通径为2 5 n u n ，阀芯面积 生盟厶兰i 兰丝生位堡塞蓥三童基工商韭珏羞圆曲= 缝盘昱控剑曲翅苤幽虹宜 比为2 ：i ，最大行程9 m ，阀芯行程可调，根据文献 2 5 、 2 6 所述主阀开关时 间一般为08 m s 、3 m s ，理论上其所需的控制腔过流量均超过1 0 0 l r a i n ，故不太 可能实现，需在满足主油路过流要求的前提下选定一合适的阀芯行程以尽量减小 对先导级阀的过流要求。 不计阀芯重力及摩擦阻力，阀芯受力平衡方程为： 图2 - 13 插装阃结构示意圈 图2 - 14 二通插装阀的流量压差曲线 毋4 + 岛4 一只，4 一( 而+ ) 一晶= 竹。 ( 21 0 ) 式中： p 、p mp - 广一为工作腔a 、b 和控制腔x 的压力，p a ： a ，、m 、a 广一分别为进油口、出油口和控制腔阀芯的有效作用面积，由于 阀芯通径为2 5 m 阀芯面积比为2 ：1 ，于是其值分别为：2 4 5 m m 2 、2 4 5 m 2 、4 9 0 r m 2 ； k r 一弹簧刚度，有类比法则取其参考范围3 0 0 0 一0 0 0 0 n m ； x r 一弹簧预压缩量，暂取00 l m ； x l 一阀芯位移，m ： m l 一阌芯质量，03 2 k g ； f 广稳态液动力，计算同式26 。 闯口流量方程为( d 为a 面积直径) 。”： q l = c ，r d , x ls i n a j ! 堡言型 ( 2 _ l i ) 先导阀流量连续方程： 砖趣+ 告警 口 i c 为先导阀及其连接管道的容积，寸5 n 西分别为主阔、先导阀的流量，甜s ； x 、正分别为主阀、先导阀的开口量，m ： 剩圄 节流口流量方程： 铲q 破x c s i n c r l 2 p 云c 式中：翻分别为主阀、先导阀阀口的流量系数； d 。、卜