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开发大快速低成本开关阀

流量

伯恩德·温克勒

抽象

液压系统的进步是保持与其他驱动系统竞争的必要条件。进一步改进液压系统的两个主要主题是能源效率和成本降低。高精度和快速的系统，例如快速和精确的定位任务，大多只能通过伺服阀来实现。这种阀成本高昂，而且其工作基于电阻原理，从而造成相当大的损失。实现上述目标的一个有前途的方法是使用快速、高流量和低成本的开关阀。以前的调查显示，在 5 bar 时，流量约为 100 l/min、开关时间为 1ms 且价格约为 100欧元 的开关阀可满足这些要求。商用开关阀不能满足此类需求。我们开发了一种开关阀，满足上述开关时间、流量的要求，并有可能在全生产运行中实现低价。阀芯由电磁线圈通过特殊传输驱动。通过简单的几个（节流口边缘）排列，实现了大流量。在发展过程中，我们解决了中心线轴位置不稳定的问题。其相当简单的配置是全生产运行中低价格的主要成分。关键词： 液压， 快速开关阀， 滑阀稳定性问题

命名

c 弹簧刚度m滑阀质量

F₀ 弹簧x滑阀位置的初始负载

F_m 电磁阀力对滑阀x_最大 滑阀冲程

1 简介

快速开关阀是改善液压系统、提高性能、降低成本和能源效率的有前途的部件。大型伺服阀价格昂贵，并且会导致高损耗，因为它们通常按照电阻阻性原理运行。开关阀的开关时间约为 1ms，在大规模生产中制造时，价格较低。此外，快速开关阀是节能液压开关技术不可或缺的组成部分。

林茨大学机器设计和液压传动研究所以前的研究表明，5巴时流量约为100升/分钟、开关时间为1ms的开关阀可满足这些要求。具有此类规格的开关阀在市售上不可用。从经济角度来看，这种阀的开发应针对整个液压系统中的众多可能应用。只有大规模生产这种阀门才能变得很便宜。首先要估计的生产成本约为100欧元。

这种快速开关阀的一些潜在应用是位移控制任务和节能系统，如波转换器[Scheidl，2000]，[Scheidl，1999年]，[Scheidl，1996]或谐振转换器[Scheidl，2000]，[Scheidl，1999]。

2 第一个原型

基本上，开关阀由适当的驱动器、用于按面积变化控制流量的阀部件和阀体组成。驱动概念和流量控制部件（滑阀和套筒）必须针对快速切换时间、高流速和低成本进行设计。

图1：开关阀的第一个原型

对于手头的阀，只有电磁阀才能满足性能和价格的要求。不同的概念，如压电或电动和液压马达是太昂贵。因此，我们决定使用电磁线圈作为阀的驱动器。使用的电磁线圈只能为小行程产生合理的力，如图 2 所示，电磁阀的特性中所示。

阀芯通过电磁力打开，并通过弹簧关闭。如上所述，阀的打开和关闭时间必须为 1 毫秒。对于滑阀从其打开位置向闭合位置的移动，在弹簧时完成的方程m˙x˙ cx  F0  0必须为 true。F0 是弹簧的初始负载，必须至少具有 5N 的值。初始条件x˙(0)  0，x（0）= xmax和 9g 阀芯的估计质量时，可以将最小弹簧刚度 c 确定为 17990N/m。因此，将阀芯从打开位置移动到闭合位置所需的最小恒定力 Fm 可计算为 40N。

图2：电磁阀特性

在我们的例子中，我们通常操作电磁阀在1000安佩圈以下。图 2 表明，对于超过 0.6mm 的距离，无法生成计算力 Fm。因此，为了实现高流速，需要适当的齿轮来实现更大的滑阀冲程。在我们的例子中，大约 1.5 毫米的线轴冲程是合理的。使用传动比为 3 的齿轮，我们至少需要 120N 电磁阀力来足够快地加速滑阀。这可以通过用过的电磁阀实现。我们使用一个简单的杠杆齿轮与4个杠杆（见图1，右侧）。其他齿轮（如液压变速箱或弹簧杆（杠杆和弹簧的组合）因高复杂性或强度不足而失效。在我们的第一个原型中，我们决定将 1.5mm 的整个冲程划分为 1.0mm，用于关闭位置的滑阀重叠，将 0.5mm 用于阀排气，以实现流体流动所需的横截面。

为了在给定的阀芯冲程下获得大流量并保持质量低，最好同时排列几个节流口边缘，从而线性地增加阀芯质量，而较大的阀芯直径会四边增加阀芯质量。因此，在第一步中，我们建立了一个原型，其套筒的区域结构相当小（参见图1），使阀芯的长度尽可能短。

2.1 第一个原型的测量

第一个原型正好符合100升/分钟流量的规格要求。

图 3 显示了具有两个不同电磁阀的第一个原型上的动态测量值。上图描绘了电磁阀的线圈电流。下图显示了用于先导电磁阀的 PMW 信号（PWM=1 表示 24V，PWM=0.5 表示 0V）。下图还显示了阀芯位置。可以看出，打开阀门需要近 2ms 的开关时间。此外，我们观察到，的开关时间取决于施加的系统压力，当压力差超过约75bar时，无法切换。

图 3：50bar 和 10ms 单脉冲的动态测量，具有两个不同的电磁阀

2.2 SPOOL 问题

对第一个原型的测量表明，在阀芯上出现了超过一定的压力差（plusmn;75bar）。由于压力差，这些流动通道之间的相当微小的区域结构被扭曲。这导致阀芯和套筒之间的楔形间隙，参见图 4。

图4：伊拉托-流体动力学（EHD）效应

从高压力区域向低压区域扩展的楔形间隙使中心阀芯位置不稳定。这种现象及其建模在[温克勒，2003年]和[温克勒，2004年]中进行了调查。高压差导致的主要变形发生在套筒上的细长的密封区域。图 4 显示了接触前阀芯和套筒的格局。与标称间隙相比，仅留下非常小的间隙（在预期接触点处）。

在预期接触点区域中，与相对侧的近线性压力分布相比，压力分布是强烈的非线性。此效果对于阀芯和套筒之间的接触最为强烈，对于居中阀芯位置则消失。

假定所述效应从中心滑阀位置稳步上升到接触点。在整个间隙上整合压力分布会导致始终以阀芯位移方向方向的力。这种力会导致不稳定的中心线轴位置。

图 5：阀芯力

为了获得对阀芯粘附问题的透彻分析的实验数据，对阀芯力进行了测量。图 5 描述了摩擦力 FmaxR 的最大值、估计的最大摩擦力 Fmax 和最大流量力 FmaxS。对于较高压力，测量的最大摩擦力 FmaxR 会以不成比例的比例上升，而计算出的力则随压力呈线性上升。这种行为的一个解释可能是更高的压力摩擦系数上升。由于区域扭曲为楔形间隙，滑阀与短线段上的套筒接触，其中可能发生高接触压力。对于此类接触，摩擦系数可能上升到 1[1]。

2.3 通过凹口密封区域减小粘力

为了通过平衡其区域表面周长方向处的压力来减少阀芯的粘附，将重叠减小到0.2mm。较小的重叠减小了径向压力的投影面积，从而减小了径向阀芯力，从而通过摩擦导致粘附。

图 6：带凹槽和短冲程的动态结果

图 6 描述了此改进阀的实验结果。对系统压力从 0bar 到 120bar 进行了测量。初始 PWM 脉冲的宽度为 1ms。最短的切换时间（0bar）现在减少到 1.17ms 的值。可以观察到，开关时间在很大程度上取决于施加的压力。由于凹槽，阀开关可靠工作到 150 bar。但阀仍然不能工作在额定压力315bar，这是一个主要的功能要求。

3 新原型

随着[Winkler，2003]所述仿真模型的发展，我们发现了一种密封区域的特殊形状，可将居中的阀芯位置的不稳定行为转变为稳定的密封区域。对于新的原型，我们必须实现4个修改：

bull; 将密封区域宽度从 1 毫米扩大至 3 毫米

bull; 较大的区域宽度将导致较长的阀芯（以达到相同的流量）。因此，我们决定将重叠减小到 0.5mm，以便 1mm 的阀芯行程可用于流体通道。这样，所需区域的数量从13个减少到6个。

bull; 区域结构应呈对称形状

bull; 实现密封区域形状，稳定居中的阀芯位）。

因此，我们设计了圆盘形元件的套筒，以简单的方式实现计算的区域结构。

整个阀如图7所示。阀芯的长度与第一个原型相同，但仅具有 6 个平行阶段。第一个原型使用作用元件和齿轮。只有带套筒、滑阀阀芯和端口块的阀壳是新设计。

图7：快速开关阀的新原型

此阀上的测量表明，开关时间现在完全独立于压力差，能够切换到我们实验室中可以产生的最高系统压力（参见图 8）。

图 8：不同系统压力的动态行为

在任何情况下，切换时间都小于 1ms。由于阀芯位置稳定，与压力无关的开关时间是可靠阀芯行为的有力标志。阀门的关闭需要略高于1ms，开关时间与压力稍有关系。对于高压，流动力显著降低了开关时间。

为新原型采取的措施是完全成功的，实际上，1ms的指定切换时间不仅可以实现，甚至运行不足。通过此阀，我们在 5 bar 压力差下实现了约 75 升/分钟的流量。通过添加额外的级数，可以轻松实现所需的 100 l/min 的额定流量。在 250 bar 时，阀的泄漏约为 0.03 l/min。这是市场上同等阀的常见值。

结论

本文介绍了开关阀的开发，该开关阀必须满足开关时间（1ms）、流量（100 升/分钟 = 5bar）和价格（在全生产运行中为 100欧元）的规范。该阀由电磁线圈驱动，能够满足低价格和高驱动力的要求。由于电磁线圈只能产生0.6 mm以下支架距离的合理力，我们实现了一个简单的杠杆齿轮，将0.5 mm的支架行程转换为所需的1.5mm的阀芯行程。为了获得大流量，我们平行地排列了几个节流口边缘，因此第一个原型的设计具有相当微小的区域结构。

由于这些密封区域的高度变形，我们面临着在一定压力差时卡住阀芯的问题。此阀芯粘滞是由阀芯稳定性问题引起的 [Winkler， 2003]。为了量化阀芯上的径向力，我们开发了一个数学模型，能够处理间隙中弹性变形和压力分布的高度非线性耦合问题。

在这个模拟程序的帮助下，我们发现了一个密封的区域形状，这不仅减少了不稳定的径向力，而且导致稳定的阀芯力。因此，第二个原型的切换时间完全独立于系统压力，此外，低于 1ms。

该阀还满足指定流量的需求，在全生产运行中具有低生产成本的潜力。

确认

作者感谢奥地利政府Kplus计划框架内的'林茨机电能力中心'赞助了这项工作。该项目由奥地利政府、上奥地利省和约翰内斯开普勒大学林茨资助。

引用

1. Scheidl， R.， Garstenauer， M.， Manhartsgruber， B， 2000， 液压传动的开关类型控制 – 农业机械高级驱动前景看好，SAE 技术论文系列，2000-01-2559，约翰内斯·开普勒大学林茨，4040 林茨，奥地利

2. Scheidl， R， Riha， G， 1999， 液压谐振转换器的节能开关控制， 动力传动和运动控制浴场工作室 Proc.， 英国巴斯， ISBN 1 86058 205 2， pp. 267-280

3. Scheidl， R， 1996， 现实主义者冯·沙尔特特尼肯·弗·奥尔海德劳利什·安特里埃·杜尔赫·纳森·雷森特·韦伦， e/_i， 113， 第553-558页

4. 温克勒， B.， Scheidl， R， 密封盖口的行为， 2003年1月1日，伊拉斯托-流体动力学国际计算会议的建模和模拟

流体动力技术方法，流体功率网络出版物，ISBN 0-9578574-1-1，澳大利亚墨尔本，第 155-164 页

5. 温克勒，B.，2004年，对农业机械自动水平控制的贡献，博士，奥地利林茨大学

[1] 古德伦·米科塔博士（奥地利林茨LCM GmbH）对铁路铣床的调查也提出了类似的意见。

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