電液伺服技術(shù)在蝶閥上的應(yīng)用

2013-10-17 笪靖浙江大學(xué)流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室

　　將電液伺服技術(shù)應(yīng)用于蝶閥蝶板的高精度控制，給出高精度電液伺服控制蝶閥的結(jié)構(gòu)，利用AMESim軟件建立仿真模型，探討各主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動靜態(tài)特性的影響，并進行動靜態(tài)試驗。理論分析和試驗結(jié)果表明：電液伺服控制蝶閥精度高、線性度好、滯回小、頻響可根據(jù)工程實際進行設(shè)定，調(diào)整方便。目前，該蝶閥已在工程中應(yīng)用。除蝶閥外，電液伺服技術(shù)也可用于球閥等閥門的高精度流量控制。

　　蝶閥由于其結(jié)構(gòu)緊湊、啟閉迅速、流阻小、流量系數(shù)大，容易實現(xiàn)大口徑、大流量的流體輸送等特點，廣泛應(yīng)用于煉鋼、電力、水利、化工等領(lǐng)域。目前，蝶閥主要應(yīng)用于啟閉控制，隨著生產(chǎn)過程精度控制要求越來越高，還要求通過控制蝶閥蝶板的轉(zhuǎn)動角度來控制輸送的流量。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和電液伺服技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高精度流量控制的蝶閥成為一種可能。

　　基于電液伺服技術(shù)響應(yīng)快、精度高、體積小、輸出力矩大等特點，作者提出了一種電液伺服控制蝶閥的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)建立了AMESim仿真模型，對其動靜態(tài)特性進行仿真分析，探討系統(tǒng)各主要參數(shù)對動靜態(tài)特性的影響，并進行試驗驗證。

1、工作原理

　　圖1為電液伺服控制蝶閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，考慮到蝶閥控制所需油液很少，不必單獨增設(shè)液壓源，壓力油可直接從主液壓系統(tǒng)引入，并利用單向閥、蓄能器、減壓閥等元件，可減少主液壓系統(tǒng)壓力波動對電液伺服控制蝶閥系統(tǒng)的性能影響。主系統(tǒng)油泵9經(jīng)減壓閥7將液壓油減壓輸送至伺服閥5，在輸入信號作用下，伺服閥5的閥芯移動，高壓油進入液壓缸4的一端，另一端通過伺服閥接回油，在壓差的作用下，使液壓缸活塞運動，并通過銷與撥叉3，驅(qū)動蝶閥閥桿轉(zhuǎn)動，使蝶板2轉(zhuǎn)動。蝶板的轉(zhuǎn)角由角度傳感器1檢測并反饋回輸入端，與輸入信號相比較得出誤差信號，經(jīng)放大器放大后輸入伺服閥5，使蝶板的轉(zhuǎn)動角度與輸入角度相吻合。

圖1 電液伺服控制蝶閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2、建模與分析

　　為了更準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)的運動規(guī)律，利用AMESim軟件，建立了如圖2所示的液壓系統(tǒng)仿真模型。

圖2 仿真模型

　　當(dāng)對仿真模型輸入階躍信號時，角度傳感器的輸出響應(yīng)曲線如圖3所示。可見：當(dāng)階躍信號為4～20mA時，蝶閥蝶板實現(xiàn)了0°～90°的轉(zhuǎn)動，開啟響應(yīng)時間約0.92s，關(guān)閉響應(yīng)時間約0.97s。

圖3 階躍特性的仿真曲線

3、仿真分析

　　系統(tǒng)的主要仿真參數(shù)有：減壓閥調(diào)定壓力、系統(tǒng)壓力、增益K、液壓缸活塞油壓作用面積、模擬負(fù)載扭矩等。基于建立的仿真模型，探討各主要參數(shù)對動態(tài)特性的影響，從而進行優(yōu)化設(shè)計。改變上述參數(shù)，對動態(tài)特性進行仿真分析，仿真結(jié)果表明：

　　(1)如圖4所示，隨著減壓閥3調(diào)定壓力的增大，階躍響應(yīng)時間逐漸縮短。當(dāng)減壓閥調(diào)定壓力過低時，系統(tǒng)無法將蝶閥開啟;而當(dāng)減壓閥調(diào)定壓力過高時，蝶板則轉(zhuǎn)動太快。因此，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場合選擇合適的減壓閥調(diào)定壓力，該系統(tǒng)減壓閥調(diào)定壓力范圍為6～15MPa。

圖4 減壓閥調(diào)定壓力的影響

　　(2)通過調(diào)整仿真模型中溢流閥6的壓力，模擬主系統(tǒng)油源壓力波動，系統(tǒng)壓力對響應(yīng)的影響如圖5所示。可見：3條反饋電流信號曲線基本重合，即由于系統(tǒng)采用了單向閥、蓄能器、減壓閥等元件，使減壓閥出口壓力保持不變，蝶板的角度控制特性不受系統(tǒng)壓力變化的影響。

圖5 系統(tǒng)壓力的影響

　　(3)如圖6所示，蝶板轉(zhuǎn)動的階躍響應(yīng)時間隨放大器增益K的增大而縮短。K值太小，響應(yīng)過慢;而K值太大，則蝶板轉(zhuǎn)動太快。當(dāng)減壓閥調(diào)定壓力為15MPa時，增益K取0.8～3，開啟響應(yīng)時間約1.27～0.51s，關(guān)閉響應(yīng)時間約1.12～0.49s。

圖6 增益的影響

　　(4)液壓缸活塞油壓作用面積對蝶板響應(yīng)特性的影響如圖7所示。可見：曲線2的作用面積過小，產(chǎn)生的力不足以推動閥門啟閉，而曲線4的作用面積過大，在流量相同的情況下，運動速度相對較慢，響應(yīng)時間較長。因此，該系統(tǒng)中選用活塞直徑40mm。

圖7 液壓缸活塞油壓作用面積的影響

　　(5)如圖8所示，隨著模擬負(fù)載扭矩的增大，階躍響應(yīng)速度減慢，當(dāng)負(fù)載扭矩增大到一定值后，蝶板將無法開啟。該系統(tǒng)中模擬負(fù)載扭矩取200N·m。

圖8 模擬負(fù)載的影響

4、試驗分析

　　在上述仿真分析的基礎(chǔ)上，搭建試驗系統(tǒng)對電液伺服控制蝶閥液壓系統(tǒng)進行了動靜態(tài)試驗驗證。試驗系統(tǒng)原理如圖9所示，信號發(fā)生器發(fā)送階躍或正弦信號，經(jīng)直流電源偏置后，由采樣電阻采樣并輸送至示波器讀出;驅(qū)動電流與反饋電流比較后，經(jīng)伺服放大器放大輸入伺服閥;伺服閥驅(qū)動液壓缸使撥叉轉(zhuǎn)動，撥叉帶動蝶閥蝶板轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度由角度傳感器測量并反饋，經(jīng)采樣電阻采樣后由示波器讀出。

圖9 試驗系統(tǒng)原理圖

　　減壓閥調(diào)定壓力為15MPa時的電流—蝶板轉(zhuǎn)角靜態(tài)特性試驗與仿真曲線如圖10所示。3條曲線(仿真曲線、蝶板轉(zhuǎn)角上升曲線、蝶板轉(zhuǎn)角下降曲線)基本重合，說明蝶閥蝶板的轉(zhuǎn)動與驅(qū)動電流呈良好的線性關(guān)系，且滯回很小，并驗證了仿真模型。