插装式二维dd伺服阀的设计与实验研究

插装式二维dd伺服阀的设计与实验研究

与其他连接方式的液压阀相比，插式阀具有许多不可替代的优点，如密封可靠性好、重量轻、易系统集成、加工和改进相对容易等。伺服阀作为电液伺服系统的核心,能直接影响电液伺服系统性能,因此人们对于伺服阀的改进也在不断进行浙江工业大学Ruan等液压控制元件的发展趋势为质量轻、精度高、高压大流量、抗污染能力强和泄漏低等。针对传统伺服阀无法插装化,以及传统螺纹插装阀流量受到电磁线圈功率和液动力的限制,鲁鹏勇等1结构组成原理插装式2D伺服阀主要由电-机械转换器模块、阀体模块和位置传感器模块组成。其结构如图1所示。其中P为高压口,T为低压口,A、B为工作口。1.1弹簧组件及刚度从硬件构成看,电-机械转换器是伺服阀的核心元件,其特性将在很大程度上决定了伺服阀的动态性能以往2D伺服阀的电-机械转换器采用的是一个带角位移反馈的步进电机,但是需要机械传动机构来传递和放大步进电机的输出力矩,结构上就不利于实现插装。因此设计了一种干式的力矩马达作为插装式2D伺服阀的电-机械转换器,省去了中间的机械传动机构,直接驱动阀芯运动,结构上更加简单。动铁式力矩马达的衔铁惯量小、支撑弹簧管刚度大,所以比动圈式力矩马达的动态响应快。但是在大角度情况下,动铁式力矩马达非线性较差,而插装式2D伺服阀单边角度需求小于1°,在此条件下动铁式力矩马达的线性度能够满足需求。所以采用动铁式力矩马达。如图2所示,力矩马达包括磁路组件和弹簧组件。磁路组件用来提供动力,输出转矩,由2个线圈、2个导磁体、1个衔铁和2个永磁体组成。衔铁采用软磁合金1J22,永磁体为高性能的钕铁硼Ndfeb52。导磁体材料与衔铁一致,两个导磁体分别布置于永磁体上下两侧,并与衔铁之间形成四个独立的工作气隙。控制线圈附在导磁体上,采用双余度设计,保证在其中一组控制线圈失效时,备份的一组能够保证力矩马达处于正常工作状态。弹簧组件用来提供约束力矩,调节输出,主要由1个弹簧座、2个弹簧和2个弹簧管构成。弹簧一端与弹簧杆相连,另一端与弹簧座相连,而弹簧座通过螺纹固定在外壳上,保证力矩马达在未上电时始终处于零位,在失电时能及时回复零位。而且弹簧座与外壳的螺纹连接是可调节的,即两侧的弹簧对称性不好时,可以调节弹簧座的螺钉来实现对称的目的。力矩马达的工作原理如图3所示。当控制线圈未输入电流时,力矩马达在其两端永磁体所形成的对称磁场下,输出力矩为零,衔铁在弹簧组件的作用下处于零位;当控制线圈通入电流时,力矩马达在永磁铁产生的永磁磁场和控制线圈所产生的控制磁场的差动作用下输出力矩,驱动衔铁转动,再加上弹簧组件产生的约束力矩,两者平衡时,衔铁终止扭转;当失电时,弹簧组件又使衔铁回到零点。与传统力矩马达的弹簧管不同,弹簧组件的结构简单很多,因此加工更简单,成本更低。更为重要的是弹簧和2D阀的阀芯一样具有双自由度的特性,一方面衔铁带动弹簧杆转动,另一方面阀芯带动弹簧杆直动,而弹簧杆的转动和直动分别导致弹簧在阀芯径向和轴向扭转。其设计要求为当在弹簧杆端面施加20N的水平直动力时,弹簧杆(即阀芯)的水平位移达到0.5mm;当相同位置施加0.05N·m的扭矩时,弹簧杆(即阀芯)的转角达到1°。因此,对弹簧组件进行力学仿真,以寻求合适的尺寸来满足弹簧的力学性能。其中弹簧的材料为50GrVA弹簧钢。在仿真过程中,将两个弹簧座固定约束,然后分别在弹簧杆上施加力和力矩,其结果如图4所示。在图4(a)中,当施加20N的力时,弹簧座的最大位移为0.47mm,基本满足需求;在图4(b)中,当施加0.05N·m的力矩时,弹簧座最大位移为0.25mm,角位移为1.1°,也基本满足要求。弹簧的具体参数参见表1。线性度好的力矩马达的输出力矩为式中:a为从转角中心到气隙中心的距离在垂直于作用力方向的投影;l为衔铁在中位时工作气隙的长度(在图3标注);N由式(1)可知,当力矩马达的力矩常数以及磁弹簧刚度恒定时,衔铁上输出力矩的大小仅与衔铁的转动角度和控制线圈的差动电流有关。当衔铁发生偏转时,弹簧组件提供的约束力矩为式中:K利用式(1)和式(4),可以对力矩马达的静态特性进行分析。在空载情况下,力矩马达形成的输出力矩T式中:K为力矩马达的静态刚度系数。由式(5)可知,当K衔铁力矩平衡方程式中:J将式(1)和式(6)合并后拉普拉斯变换得由式(7)可得,以差动电流和负载力矩为输入,转角为输出的系统方块图如图5所示。由图5可得力矩马达传递函数为式中:ω1.2阀芯运动方程阀体模块主要有阀芯、阀套、左端盖、销、O密和滤网等组成。如图6所示,阀芯左端与左端盖构成敏感腔a;高压槽b和低压槽c通过阀套上的斜槽g与腔a沟通;a腔压力由高压槽b和低压槽e与斜槽g相交的两个微小弓形面积串联的液压阻力半桥控制;槽b和高压孔d、e通过阀芯内孔相通;e使其所在的腔室形成高压腔f。阀芯旋转改变弓形面积,影响腔a的压力;a、f两腔的压力差导致阀芯的直线位移;阀芯的直线位移也会改变弓形面积,影响腔a的压力,最终平衡。当衔铁带动阀芯逆时针转动(从阀体看往力矩马达的方向)过程中,低压槽c与斜槽的重叠面积变大,高压槽b与斜槽的重叠面积减小,导致左侧敏感腔a压力下降,而右侧的高压腔f压力不变,从而使得阀芯向敏感腔体积减小的方向运动。在运动过程中高压槽和低压槽与斜槽的相交面积发生与前述相反的情况,敏感腔的压力逐渐增大,最终使得阀芯回到平衡位置。此过程体现了伺服螺旋机构的特性:较小的电磁输出力矩通过伺服螺旋机构进行功率放大,可以转化为较大的液动力(两腔的压力差),从而推动阀芯直动,同时还具有反馈功能。衔铁输出转角θ,阀芯与衔铁固连,因此阀芯转角也为θ。从左往右看顺时针为正。如图7所示,高压槽与斜槽的重叠高度为式中:R为阀芯半径;θ为阀芯旋转角位移;h高压槽与低压槽和斜槽之间的相交面积越大,导控流量越大,阀芯的动态响应越快。为了加快响应,不采用传统的高低压孔方式,而是采用高低压槽的结构。因为该2D阀芯转角很小,高压槽的圆角半径也很小,因此可将交互面积近似成长度一定,高度随阀芯转角θ呈线性变化的平行四边形的面积。高压槽与斜槽的交互面积为式中:w为高压槽的槽宽。同理可得低压槽与斜槽的计算面积A所以高压槽流入敏感腔的流量q式中:C由敏感腔经过低压槽流出的流量q如果不计阀芯和阀套之间的间隙泄漏,假设油液不可压缩,流量的连续性方程为式中:A阀芯动力学方程为式中:A伺服螺旋机构存在反馈环节,其轴向位移x、角位移θ和重叠高度变化量Δh之间的关系为式(10)～式(17)构成了阀体模块动态特性的支配方程。不考虑系统非线性因素,据此可得图8所示的方块图。然后得其传递函数为式中:ω通过位移可以进一步求得滑阀流量,根据流量公式可得阀芯位移与滑阀流量的关系为式中:Q为阀口流量;ω为阀口通流面积梯度;Δp为阀口单边压降。1.3d伺服阀差动变压器式位移传感器是基于LVDT原理进行非接触式位移测量,具有结构简单、精度高等优点,被大量应用于航天航空、机械等领域此模块的设置只是为了提高插装式2D伺服阀的性能(动静态等),适用于性能要求很高的地方。然而在某些性能要求不是很高的场所(滞环小于5.5%,动态频响不低于30Hz),该阀不采用此模块也可以满足需求。1.4开环控制系统框图根据上述分析,且不考虑LVDT反馈,可以得到插装式2D伺服阀开环控制系统框图,如图9所示。系统以差动电流Δi和作用在力矩马达上的负载力矩T2圈宽/槽宽比例插装式二维(2D)伺服阀的仿真主要是根据上述的动态性能的支配方程,研究力矩马达的差动电流Δi(输入)阶跃变化时,力矩马达的磁极面积A从图10(a)可以看出,随着磁极面积的增大,阶跃响应时间反而增大。这是因为虽然磁极面积变大会加快阀芯的响应速度,但是也会增加其位移的稳态值,从而导致阶跃时间增加。从图10(b)可以看出,随着线圈匝数的增加,阶跃响应的时间不会发生变化,而且随着线圈匝数的增加,阀芯位移成比例增加。这是因为线圈匝数在整个系统充当的角色相当于一个放大系数,对响应时间无影响。从图10(c)可以看出,高低压槽的槽宽的改变不会影响阀芯位移的稳态值。但是随着槽宽的增加,响应时间会略微减少,这是因为增大槽宽会增加其流量增益,响应速度变快,但同时也会导致泄漏变大。同时还可以看出,插装式2D伺服阀的阶跃响应没有超调,表现出过阻尼的阶跃响应特性,这说明插装式2D伺服阀是一个过阻尼系统,稳定性很好。3实验与研究3.1尺寸结合设计要求,最终设计的插装式2D伺服阀尺寸为38mm×38mm×89mm,质量为155g,流量为12.6L/min。实物如图11所示,安装如图12所示。3.2开环下的实验测试实验测试平台的原理框图如图13所示。测试系统主要包含信号发生器、示波器、插装式2D伺服阀、流量计、液压泵站、激光位移传感器等。实验地点为浙江工业大学二维(2D)液压气动工程研究中心。改变截止阀可以实现不同的系统功能,即不同的测试工况。信号发生器产生不同的输入曲线,激光位移传感器直观的显示阀芯位移变化。结合设计要求,本次实验主要测量该阀在开环情况下的动静态特性、分辨率以及阶跃相应。在开环情况下,LVDT信号(型号为CD375,量程为±0.63mm)作为样机的输出信号。图14即为实验测试图。(实验系统压力10MPa,室温20°)3.3结果3.3.1输出压力函数图15为插装式2D伺服阀的开环静态测试曲线,其实验条件为:截止阀7、8、9打开,系统压力10MPa、b口通过流量计相连,此时流量计可以当静态的液压缸,伺服阀满量程输入,即±0.3mm的阀芯位移(由于流量配磨的限制,现在只能通过位移曲线替代流量曲线,±0.3mm的位移对应的流量大小为12.6L/min)。信号发生器给出的输入信号为电压信号,频率为0.02Hz,曲线样式为正弦波,输出信号为阀芯的位移信号。由曲线得知:开环情况下滞环大小为5%,线性度均满足指标。这是因为螺旋伺服机构本身具有反馈功能,所以在开环的情况下也能保持良好的滞环和线性度。理论的开环曲线优于实验的结果,是因为没有考虑到力矩马达的滞环,同时在建立传递函数时将一些参数进行线性化分析。3.3.2电流表达方式分辨率是使伺服阀的流量发生变化(增大或减少)的输入电流的最小增量。本次测量方法为:在10%的输入信号处停止,缓慢减小电流,读取位移变化。伺服阀测试的输入信号为电压信号,大小为0.6～1.0V,选0.794V时,阀芯位移为1.6457mm,缓慢减小输入信号值,得出位移与输入信号的对应关系,如表3所示,开环下的分辨率≤1%。3.3.3插装式2d伺服阀阶跃响应阶跃响应曲线指伺服阀零位到单边最大开口时,流量(位移)曲线随输入信号(电压信号)的响应时间。图16即为开环响应曲线。满量程输入,系统压力10MPa,室温20°。插装式2D伺服阀阶跃响应的实验结果表现为过阻尼,且无超调,这与仿真结果一致。实验开环响应时间为10ms,而仿真结果约为8ms,这可能是没有考虑到力矩马达滞环的影响。而一般伺服阀的响应时间大概为20～40ms之间,相比之下插装式2D伺服阀的响应速度非常快,这主要是因为采用了2D阀的结构,同时有一些系统的优化如马达采用动铁式,伺服螺旋机构将高低压孔改成高低压槽等。3.3.4阀的动态特性动态特性表征输出信号随输入信号的跟随能力。本次实验中,信号发生器给出不同频率的满量程正弦波输入信号,得到多组输出信号(位移信号)与输入信号(电压信号)的正弦波跟随曲线。结合动态频响的定义,以1Hz作为幅频与相频的基准信号,将动态特性曲线整理如图17所示。截止阀9打开,满量程输入,系统压力10MPa,室温20°。由图17得插装式2D伺服阀的幅频(-3dB)约为35Hz,相频(-90°)约为45Hz。即在满量程输入时,插装式2D伺服阀的开环动态频响为35Hz。3.4lvtc闭环控制插装式2D伺服阀的实验数据如表4所示,开环下的性能已经能满足要求,而如果通过LVDT实现闭环控制,其性能还可以有很大的提高。因此,在正常情况下该阀开环即可,而在要求更高的场合可以采用闭环。4插装阀的特性1)本文研究的插装式2D伺服阀,通过力矩马达的偏转角度来直接驱动阀芯运动,进而控制伺服阀的输出流量,同时还可以通过LVDT检测阀芯位移实现位置闭环控制。2)插装式2D伺服阀相对于普