【泰科閥門】2D氣動(dòng)高速開關(guān)閥知識(shí)和使用操作流程
上海方工閥門制造有限公司
0 引言
泰科脈寬調(diào)制在流體動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的基本思想就是利用高速開關(guān)元件，通過控制其開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)的不同，從而控制閥口開度的時(shí)間平均值。對(duì)于流體控制系統(tǒng)，一般對(duì)其響應(yīng)速度皆有一定的要求，因而在工作過程中調(diào)制頻率應(yīng)盡可能地高，即要求閥的開關(guān)時(shí)間很短，此外，工程中的快速動(dòng)作機(jī)構(gòu)（如機(jī)車緊急剎閘、電路快速切斷開關(guān)等）的主要特點(diǎn)是瞬時(shí)釋放出大功率的能量：它們常用的驅(qū)動(dòng)方式有直接電磁驅(qū)動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種方式。其性能對(duì)照見表 1。從表中可以清楚看出，液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)瞬時(shí)釋放大功率的特性遠(yuǎn)優(yōu)于電磁驅(qū)動(dòng)的方式。而液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)能量釋放是由開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)快速性，關(guān)鍵是提高閥的開關(guān)速度。
表 1 三種驅(qū)動(dòng)元件快速性的對(duì)照
技術(shù)特性 類別
直流電磁鐵 油缸 氣缸
單位面積作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
最高運(yùn)行速度 小于 3m/s 5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s 音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
剎車緩沖特性 差 一般 較好
維護(hù) 容易 較難 容易
造價(jià) 造價(jià)與功率大小呈直線上升 較高 較低
輔助設(shè)備 直流電源 油源 氣源
實(shí)用瞬間功率 0~幾十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
作為快速驅(qū)動(dòng)元件的適用范圍 用于機(jī)-電轉(zhuǎn)換的光導(dǎo)級(jí)、低功率漏電開關(guān) 工程車輛的車閘 適用于各種機(jī)械安全防護(hù)裝置、車閘本文提出一種采用雙自由度閥芯構(gòu)成的雙級(jí)氣動(dòng)高速開關(guān)閥，在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
1 氣動(dòng)高速開關(guān)閥
2D氣動(dòng)高速開關(guān)閥采用雙自由度的設(shè)計(jì)思想，將導(dǎo)閥與主閥做在一個(gè)閥芯上，導(dǎo)閥由閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)其功能，主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動(dòng)控制，其基本結(jié)構(gòu)見圖 1：
2D氣動(dòng)高速開關(guān)閥，2D 氣動(dòng)高速開關(guān)閥
閥芯的右腔為敏感腔，在閥芯的右端臺(tái)肩上開設(shè)有 a、b 口，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通；在閥座孔右端經(jīng)通道 c 與敏感腔相通；閥左腔經(jīng)通道 d 與 PL 相通；當(dāng)力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，使 a 與 c 通時(shí)，則敏感腔處于高壓狀態(tài)，這時(shí)閥芯將在壓力推動(dòng)下左移，使 Po 與 PL 溝通；當(dāng) b 與 c 口溝通時(shí)，敏感腔處于低壓，閥芯右移，PL 與 Pa 溝通，閥芯是細(xì)長(zhǎng)狀的，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，容易實(shí)現(xiàn)快速擺動(dòng)。該閥為一三通換向閥，若閥芯中間的臺(tái)肩寬度大于閥孔環(huán)形槽的寬度，則該閥為二通型。這種結(jié)構(gòu)的閥實(shí)際上為二級(jí)結(jié)構(gòu)，PL 口可以有較大的流量輸出，若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號(hào)。為了保證閥所受的徑向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。
泰科閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。力矩馬達(dá)主要由銜鐵、導(dǎo)磁體及磁鋼構(gòu)成，具有雙穩(wěn)記憶功能，其工作原理如下：銜鐵與導(dǎo)磁體處于正常的工作位置時(shí)，形成四個(gè)工作系隙，銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場(chǎng)，而當(dāng)激磁線圈通電時(shí)，則產(chǎn)生兩個(gè)環(huán)狀的封閉的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將使兩個(gè)對(duì)角處的系隙的永磁體的磁場(chǎng)分別得以加強(qiáng)和削弱，其結(jié)果使銜鐵快速擺動(dòng)。當(dāng)銜鐵的端部到達(dá)閉合位置時(shí)，線圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下，其位置保持不變。這便使得該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能。當(dāng)線圈通以相反方向的脈沖電流時(shí)，則銜鐵反向擺動(dòng)。由于該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能，可由強(qiáng)電流脈沖驅(qū)動(dòng)，因而可確保其快速響應(yīng)特性。
2 實(shí)驗(yàn)研究
將力矩馬達(dá)與閥體相聯(lián)構(gòu)成雙級(jí)高速開關(guān)閥，采用電渦流傳感器測(cè)量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm；用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形，實(shí)測(cè)的波形見圖 2。顯而易見，閥芯與電磁鐵相聯(lián)后，銜鐵的動(dòng)作時(shí)間要略為多一些，但由于該閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)H為銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 1/3，所以動(dòng)作時(shí)間的增加并不多。相聯(lián)后實(shí)測(cè)得力馬達(dá)最大響應(yīng)脈沖信號(hào)頻率為 190Hz（驅(qū)動(dòng)電壓 30V）。
2D 雙級(jí)高速開關(guān)閥的試驗(yàn)結(jié)果
圖 2 2D 雙級(jí)高速開關(guān)閥的試驗(yàn)結(jié)果
表 2 給出閥動(dòng)作時(shí)間與力馬達(dá)初始系隙之間的關(guān)系（壓力為 0.8MPa）：從表中可以看出當(dāng) θ0 為 0.2 度左右時(shí)，閥的動(dòng)作時(shí)間最短。當(dāng)系隙增大時(shí)，馬達(dá)的動(dòng)作時(shí)間增大；當(dāng)系隙減小時(shí)，導(dǎo)閥開度較小，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的供氣不足，這兩種因素皆使閥動(dòng)作時(shí)間增大。
表 2 力馬達(dá)系隙與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系
θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37
圖 3 給出了供氣壓力與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系，它們之間近似呈二次曲線的變化規(guī)律。
閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系
圖 3 閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系
3 結(jié)論
將雙自由度的閥芯運(yùn)用于氣動(dòng)高速開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調(diào)整力矩馬達(dá)的調(diào)隙螺釘可改變導(dǎo)閥（旋轉(zhuǎn)自由度）開啟面積大小。改變閥芯中央臺(tái)肩的寬度變化，可使閥成為二通型或三通型。
閥門的通徑為 φ6，閥門的開關(guān)時(shí)間為 1.3ms 左右。導(dǎo)閥的開關(guān)時(shí)間隨系隙調(diào)整螺釘?shù)母淖兌兓?，即調(diào)整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時(shí)間。對(duì)導(dǎo)閥而言，行程越小則開關(guān)時(shí)間越短，然而對(duì)主閥卻不是這樣的，只有當(dāng)銜鐵的行程達(dá)到某一值時(shí)，主閥的開啟時(shí)間最短。在機(jī)械加工精度保證的前提下，增大導(dǎo)閥的面積梯度，減小行程，可縮小閥的開關(guān)時(shí)間。
該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅(qū)動(dòng)。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達(dá)輸出的機(jī)械功皆用于驅(qū)動(dòng)閥芯，毋需克服彈簧力，從而使閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短。另一方面采用瞬間通電，較大的瞬間電流使閥芯快速動(dòng)作，又不會(huì)引起馬達(dá)線圈發(fā)熱過劇而燒壞。由于機(jī)構(gòu)中沒有彈簧，從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題，這一點(diǎn)對(duì)脈寬調(diào)制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。
綜上所述，將泰科雙自由度的原理運(yùn)用于高速氣動(dòng)開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，所設(shè)計(jì)的高速開關(guān)元件具有良好的性能，這種性能還可隨加工精度的提高而得到進(jìn)一步提高。
泰科脈寬調(diào)制在流體動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用的基本思想就是利用高速開關(guān)元件，通過控制其開關(guān)狀態(tài)的占空比數(shù)的不同，從而控制閥口開度的時(shí)間平均值。對(duì)于流體控制系統(tǒng)，一般對(duì)其響應(yīng)速度皆有一定的要求，因而在工作過程中調(diào)制頻率應(yīng)盡可能地高，即要求閥的開關(guān)時(shí)間很短，此外，工程中的快速動(dòng)作機(jī)構(gòu)（如機(jī)車緊急剎閘、電路快速切斷開關(guān)等）的主要特點(diǎn)是瞬時(shí)釋放出大功率的能量：它們常用的驅(qū)動(dòng)方式有直接電磁驅(qū)動(dòng)、液壓和氣動(dòng)三種方式。其性能對(duì)照見表 1。從表中可以清楚看出，液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)瞬時(shí)釋放大功率的特性遠(yuǎn)優(yōu)于電磁驅(qū)動(dòng)的方式。而液壓或氣動(dòng)系統(tǒng)能量釋放是由開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)的，為了實(shí)現(xiàn)快速性，關(guān)鍵是提高閥的開關(guān)速度。
表 1 三種驅(qū)動(dòng)元件快速性的對(duì)照
技術(shù)特性 類別
直流電磁鐵 油缸 氣缸
單位面積作用力 小于 0.3MPa 6~32MPa 0.6~0.8MPa
最高運(yùn)行速度 小于 3m/s 5×油管截面積/油缸活塞面積 m/s 音速×氣管截面積/氣缸活塞面積 m/s
剎車緩沖特性 差 一般 較好
維護(hù) 容易 較難 容易
造價(jià) 造價(jià)與功率大小呈直線上升 較高 較低
輔助設(shè)備 直流電源 油源 氣源
實(shí)用瞬間功率 0~幾十瓦 0~20 千瓦 0~18 千瓦
作為快速驅(qū)動(dòng)元件的適用范圍 用于機(jī)-電轉(zhuǎn)換的光導(dǎo)級(jí)、低功率漏電開關(guān) 工程車輛的車閘 適用于各種機(jī)械安全防護(hù)裝置、車閘本文提出一種采用雙自由度閥芯構(gòu)成的雙級(jí)氣動(dòng)高速開關(guān)閥，在介紹 2D 高速開關(guān)閥的基礎(chǔ)上，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
1 氣動(dòng)高速開關(guān)閥
2D氣動(dòng)高速開關(guān)閥采用雙自由度的設(shè)計(jì)思想，將導(dǎo)閥與主閥做在一個(gè)閥芯上，導(dǎo)閥由閥芯的旋轉(zhuǎn)自由度實(shí)現(xiàn)其功能，主閥口的開度大小由閥芯的軸向滑動(dòng)控制，其基本結(jié)構(gòu)見圖 1：
2D氣動(dòng)高速開關(guān)閥，2D 氣動(dòng)高速開關(guān)閥
閥芯的右腔為敏感腔，在閥芯的右端臺(tái)肩上開設(shè)有 a、b 口，a 口與 Po 相通；b 口與大氣 Pa 口相通；在閥座孔右端經(jīng)通道 c 與敏感腔相通；閥左腔經(jīng)通道 d 與 PL 相通；當(dāng)力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，使 a 與 c 通時(shí)，則敏感腔處于高壓狀態(tài)，這時(shí)閥芯將在壓力推動(dòng)下左移，使 Po 與 PL 溝通；當(dāng) b 與 c 口溝通時(shí)，敏感腔處于低壓，閥芯右移，PL 與 Pa 溝通，閥芯是細(xì)長(zhǎng)狀的，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，容易實(shí)現(xiàn)快速擺動(dòng)。該閥為一三通換向閥，若閥芯中間的臺(tái)肩寬度大于閥孔環(huán)形槽的寬度，則該閥為二通型。這種結(jié)構(gòu)的閥實(shí)際上為二級(jí)結(jié)構(gòu)，PL 口可以有較大的流量輸出，若不需要大流量可將 PL 口堵死而直接從由端蓋的 e 口引出壓力信號(hào)。為了保證閥所受的徑向力平衡，a、b 和 c 口及通道均采用軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。
泰科閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。力矩馬達(dá)主要由銜鐵、導(dǎo)磁體及磁鋼構(gòu)成，具有雙穩(wěn)記憶功能，其工作原理如下：銜鐵與導(dǎo)磁體處于正常的工作位置時(shí)，形成四個(gè)工作系隙，銜鐵上有一激磁線圈。磁鋼在系隙中形成垂直向下方向的磁場(chǎng)，而當(dāng)激磁線圈通電時(shí)，則產(chǎn)生兩個(gè)環(huán)狀的封閉的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將使兩個(gè)對(duì)角處的系隙的永磁體的磁場(chǎng)分別得以加強(qiáng)和削弱，其結(jié)果使銜鐵快速擺動(dòng)。當(dāng)銜鐵的端部到達(dá)閉合位置時(shí)，線圈的電流切斷，銜鐵在磁鋼吸力的作用下，其位置保持不變。這便使得該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能。當(dāng)線圈通以相反方向的脈沖電流時(shí)，則銜鐵反向擺動(dòng)。由于該力矩馬達(dá)具有穩(wěn)態(tài)記憶功能，可由強(qiáng)電流脈沖驅(qū)動(dòng)，因而可確保其快速響應(yīng)特性。
2 實(shí)驗(yàn)研究
將力矩馬達(dá)與閥體相聯(lián)構(gòu)成雙級(jí)高速開關(guān)閥，采用電渦流傳感器測(cè)量閥芯位移，閥芯最大位移為 0.5mm；用紫外線示波器記錄輸入電壓 U1、U2 和線圈兩端輸出電壓 UL 及電流 IL 的波形，實(shí)測(cè)的波形見圖 2。顯而易見，閥芯與電磁鐵相聯(lián)后，銜鐵的動(dòng)作時(shí)間要略為多一些，但由于該閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)H為銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 1/3，所以動(dòng)作時(shí)間的增加并不多。相聯(lián)后實(shí)測(cè)得力馬達(dá)最大響應(yīng)脈沖信號(hào)頻率為 190Hz（驅(qū)動(dòng)電壓 30V）。
2D 雙級(jí)高速開關(guān)閥的試驗(yàn)結(jié)果
圖 2 2D 雙級(jí)高速開關(guān)閥的試驗(yàn)結(jié)果
表 2 給出閥動(dòng)作時(shí)間與力馬達(dá)初始系隙之間的關(guān)系（壓力為 0.8MPa）：從表中可以看出當(dāng) θ0 為 0.2 度左右時(shí)，閥的動(dòng)作時(shí)間最短。當(dāng)系隙增大時(shí)，馬達(dá)的動(dòng)作時(shí)間增大；當(dāng)系隙減小時(shí)，導(dǎo)閥開度較小，推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的供氣不足，這兩種因素皆使閥動(dòng)作時(shí)間增大。
表 2 力馬達(dá)系隙與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系
θ0 0.6 0.4 0.2 0.1 0.05
tr (ms) 1.87 1.36 1.12 1.29 1.37
圖 3 給出了供氣壓力與閥動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系，它們之間近似呈二次曲線的變化規(guī)律。
閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系
圖 3 閥動(dòng)作時(shí)間與供氣壓力的關(guān)系
3 結(jié)論
將雙自由度的閥芯運(yùn)用于氣動(dòng)高速開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，它既適用于小通徑也適用于較大通徑。調(diào)整力矩馬達(dá)的調(diào)隙螺釘可改變導(dǎo)閥（旋轉(zhuǎn)自由度）開啟面積大小。改變閥芯中央臺(tái)肩的寬度變化，可使閥成為二通型或三通型。
閥門的通徑為 φ6，閥門的開關(guān)時(shí)間為 1.3ms 左右。導(dǎo)閥的開關(guān)時(shí)間隨系隙調(diào)整螺釘?shù)母淖兌兓凑{(diào)整銜鐵的擺角行程可以改變開啟時(shí)間。對(duì)導(dǎo)閥而言，行程越小則開關(guān)時(shí)間越短，然而對(duì)主閥卻不是這樣的，只有當(dāng)銜鐵的行程達(dá)到某一值時(shí)，主閥的開啟時(shí)間最短。在機(jī)械加工精度保證的前提下，增大導(dǎo)閥的面積梯度，減小行程，可縮小閥的開關(guān)時(shí)間。
該閥速度較快的另一原因是回程采用脈沖電流驅(qū)動(dòng)。一方面由于回程不存在彈簧，則力矩馬達(dá)輸出的機(jī)械功皆用于驅(qū)動(dòng)閥芯，毋需克服彈簧力，從而使閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短。另一方面采用瞬間通電，較大的瞬間電流使閥芯快速動(dòng)作，又不會(huì)引起馬達(dá)線圈發(fā)熱過劇而燒壞。由于機(jī)構(gòu)中沒有彈簧，從而不存在彈性元件的疲勞破壞的問題，這一點(diǎn)對(duì)脈寬調(diào)制狀態(tài)下工作的閥尤為重要。
綜上所述，將泰科雙自由度的原理運(yùn)用于高速氣動(dòng)開關(guān)閥的設(shè)計(jì)是成功的，所設(shè)計(jì)的高速開關(guān)元件具有良好的性能，這種性能還可隨加工精度的提高而得到進(jìn)一步提高。
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