插裝式二維dd伺服閥的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

插裝式二維dd伺服閥的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

與其他連接方式的液壓閥相比，插式閥具有許多不可替代的優(yōu)點(diǎn)，如密封可靠性好、重量輕、易系統(tǒng)集成、加工和改進(jìn)相對容易等。伺服閥作為電液伺服系統(tǒng)的核心,能直接影響電液伺服系統(tǒng)性能,因此人們對于伺服閥的改進(jìn)也在不斷進(jìn)行浙江工業(yè)大學(xué)Ruan等液壓控制元件的發(fā)展趨勢為質(zhì)量輕、精度高、高壓大流量、抗污染能力強(qiáng)和泄漏低等。針對傳統(tǒng)伺服閥無法插裝化,以及傳統(tǒng)螺紋插裝閥流量受到電磁線圈功率和液動(dòng)力的限制,魯鵬勇等1結(jié)構(gòu)組成原理插裝式2D伺服閥主要由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊、閥體模塊和位置傳感器模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中P為高壓口,T為低壓口,A、B為工作口。1.1彈簧組件及剛度從硬件構(gòu)成看,電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是伺服閥的核心元件,其特性將在很大程度上決定了伺服閥的動(dòng)態(tài)性能以往2D伺服閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器采用的是一個(gè)帶角位移反饋的步進(jìn)電機(jī),但是需要機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來傳遞和放大步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩,結(jié)構(gòu)上就不利于實(shí)現(xiàn)插裝。因此設(shè)計(jì)了一種干式的力矩馬達(dá)作為插裝式2D伺服閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器,省去了中間的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng),結(jié)構(gòu)上更加簡單。動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的銜鐵慣量小、支撐彈簧管剛度大,所以比動(dòng)圈式力矩馬達(dá)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但是在大角度情況下,動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)非線性較差,而插裝式2D伺服閥單邊角度需求小于1°,在此條件下動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)的線性度能夠滿足需求。所以采用動(dòng)鐵式力矩馬達(dá)。如圖2所示,力矩馬達(dá)包括磁路組件和彈簧組件。磁路組件用來提供動(dòng)力,輸出轉(zhuǎn)矩,由2個(gè)線圈、2個(gè)導(dǎo)磁體、1個(gè)銜鐵和2個(gè)永磁體組成。銜鐵采用軟磁合金1J22,永磁體為高性能的釹鐵硼Ndfeb52。導(dǎo)磁體材料與銜鐵一致,兩個(gè)導(dǎo)磁體分別布置于永磁體上下兩側(cè),并與銜鐵之間形成四個(gè)獨(dú)立的工作氣隙?？刂凭€圈附在導(dǎo)磁體上,采用雙余度設(shè)計(jì),保證在其中一組控制線圈失效時(shí),備份的一組能夠保證力矩馬達(dá)處于正常工作狀態(tài)。彈簧組件用來提供約束力矩,調(diào)節(jié)輸出,主要由1個(gè)彈簧座、2個(gè)彈簧和2個(gè)彈簧管構(gòu)成。彈簧一端與彈簧桿相連,另一端與彈簧座相連,而彈簧座通過螺紋固定在外殼上,保證力矩馬達(dá)在未上電時(shí)始終處于零位,在失電時(shí)能及時(shí)回復(fù)零位。而且彈簧座與外殼的螺紋連接是可調(diào)節(jié)的,即兩側(cè)的彈簧對稱性不好時(shí),可以調(diào)節(jié)彈簧座的螺釘來實(shí)現(xiàn)對稱的目的。力矩馬達(dá)的工作原理如圖3所示。當(dāng)控制線圈未輸入電流時(shí),力矩馬達(dá)在其兩端永磁體所形成的對稱磁場下,輸出力矩為零,銜鐵在彈簧組件的作用下處于零位;當(dāng)控制線圈通入電流時(shí),力矩馬達(dá)在永磁鐵產(chǎn)生的永磁磁場和控制線圈所產(chǎn)生的控制磁場的差動(dòng)作用下輸出力矩,驅(qū)動(dòng)銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng),再加上彈簧組件產(chǎn)生的約束力矩,兩者平衡時(shí),銜鐵終止扭轉(zhuǎn);當(dāng)失電時(shí),彈簧組件又使銜鐵回到零點(diǎn)。與傳統(tǒng)力矩馬達(dá)的彈簧管不同,彈簧組件的結(jié)構(gòu)簡單很多,因此加工更簡單,成本更低。更為重要的是彈簧和2D閥的閥芯一樣具有雙自由度的特性,一方面銜鐵帶動(dòng)彈簧桿轉(zhuǎn)動(dòng),另一方面閥芯帶動(dòng)彈簧桿直動(dòng),而彈簧桿的轉(zhuǎn)動(dòng)和直動(dòng)分別導(dǎo)致彈簧在閥芯徑向和軸向扭轉(zhuǎn)。其設(shè)計(jì)要求為當(dāng)在彈簧桿端面施加20N的水平直動(dòng)力時(shí),彈簧桿(即閥芯)的水平位移達(dá)到0.5mm;當(dāng)相同位置施加0.05N·m的扭矩時(shí),彈簧桿(即閥芯)的轉(zhuǎn)角達(dá)到1°。因此,對彈簧組件進(jìn)行力學(xué)仿真,以尋求合適的尺寸來滿足彈簧的力學(xué)性能。其中彈簧的材料為50GrVA彈簧鋼。在仿真過程中,將兩個(gè)彈簧座固定約束,然后分別在彈簧桿上施加力和力矩,其結(jié)果如圖4所示。在圖4(a)中,當(dāng)施加20N的力時(shí),彈簧座的最大位移為0.47mm,基本滿足需求;在圖4(b)中,當(dāng)施加0.05N·m的力矩時(shí),彈簧座最大位移為0.25mm,角位移為1.1°,也基本滿足要求。彈簧的具體參數(shù)參見表1。線性度好的力矩馬達(dá)的輸出力矩為式中:a為從轉(zhuǎn)角中心到氣隙中心的距離在垂直于作用力方向的投影;l為銜鐵在中位時(shí)工作氣隙的長度(在圖3標(biāo)注);N由式(1)可知,當(dāng)力矩馬達(dá)的力矩常數(shù)以及磁彈簧剛度恒定時(shí),銜鐵上輸出力矩的大小僅與銜鐵的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和控制線圈的差動(dòng)電流有關(guān)。當(dāng)銜鐵發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),彈簧組件提供的約束力矩為式中:K利用式(1)和式(4),可以對力矩馬達(dá)的靜態(tài)特性進(jìn)行分析。在空載情況下,力矩馬達(dá)形成的輸出力矩T式中:K為力矩馬達(dá)的靜態(tài)剛度系數(shù)。由式(5)可知,當(dāng)K銜鐵力矩平衡方程式中:J將式(1)和式(6)合并后拉普拉斯變換得由式(7)可得,以差動(dòng)電流和負(fù)載力矩為輸入,轉(zhuǎn)角為輸出的系統(tǒng)方塊圖如圖5所示。由圖5可得力矩馬達(dá)傳遞函數(shù)為式中:ω1.2閥芯運(yùn)動(dòng)方程閥體模塊主要有閥芯、閥套、左端蓋、銷、O密和濾網(wǎng)等組成。如圖6所示,閥芯左端與左端蓋構(gòu)成敏感腔a;高壓槽b和低壓槽c通過閥套上的斜槽g與腔a溝通;a腔壓力由高壓槽b和低壓槽e與斜槽g相交的兩個(gè)微小弓形面積串聯(lián)的液壓阻力半橋控制;槽b和高壓孔d、e通過閥芯內(nèi)孔相通;e使其所在的腔室形成高壓腔f。閥芯旋轉(zhuǎn)改變弓形面積,影響腔a的壓力;a、f兩腔的壓力差導(dǎo)致閥芯的直線位移;閥芯的直線位移也會(huì)改變弓形面積,影響腔a的壓力,最終平衡。當(dāng)銜鐵帶動(dòng)閥芯逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(從閥體看往力矩馬達(dá)的方向)過程中,低壓槽c與斜槽的重疊面積變大,高壓槽b與斜槽的重疊面積減小,導(dǎo)致左側(cè)敏感腔a壓力下降,而右側(cè)的高壓腔f壓力不變,從而使得閥芯向敏感腔體積減小的方向運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中高壓槽和低壓槽與斜槽的相交面積發(fā)生與前述相反的情況,敏感腔的壓力逐漸增大,最終使得閥芯回到平衡位置。此過程體現(xiàn)了伺服螺旋機(jī)構(gòu)的特性:較小的電磁輸出力矩通過伺服螺旋機(jī)構(gòu)進(jìn)行功率放大,可以轉(zhuǎn)化為較大的液動(dòng)力(兩腔的壓力差),從而推動(dòng)閥芯直動(dòng),同時(shí)還具有反饋功能。銜鐵輸出轉(zhuǎn)角θ,閥芯與銜鐵固連,因此閥芯轉(zhuǎn)角也為θ。從左往右看順時(shí)針為正。如圖7所示,高壓槽與斜槽的重疊高度為式中:R為閥芯半徑;θ為閥芯旋轉(zhuǎn)角位移;h高壓槽與低壓槽和斜槽之間的相交面積越大,導(dǎo)控流量越大,閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快。為了加快響應(yīng),不采用傳統(tǒng)的高低壓孔方式,而是采用高低壓槽的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵?D閥芯轉(zhuǎn)角很小,高壓槽的圓角半徑也很小,因此可將交互面積近似成長度一定,高度隨閥芯轉(zhuǎn)角θ呈線性變化的平行四邊形的面積。高壓槽與斜槽的交互面積為式中:w為高壓槽的槽寬。同理可得低壓槽與斜槽的計(jì)算面積A所以高壓槽流入敏感腔的流量q式中:C由敏感腔經(jīng)過低壓槽流出的流量q如果不計(jì)閥芯和閥套之間的間隙泄漏,假設(shè)油液不可壓縮,流量的連續(xù)性方程為式中:A閥芯動(dòng)力學(xué)方程為式中:A伺服螺旋機(jī)構(gòu)存在反饋環(huán)節(jié),其軸向位移x、角位移θ和重疊高度變化量Δh之間的關(guān)系為式(10)～式(17)構(gòu)成了閥體模塊動(dòng)態(tài)特性的支配方程。不考慮系統(tǒng)非線性因素,據(jù)此可得圖8所示的方塊圖。然后得其傳遞函數(shù)為式中:ω通過位移可以進(jìn)一步求得滑閥流量,根據(jù)流量公式可得閥芯位移與滑閥流量的關(guān)系為式中:Q為閥口流量;ω為閥口通流面積梯度;Δp為閥口單邊壓降。1.3d伺服閥差動(dòng)變壓器式位移傳感器是基于LVDT原理進(jìn)行非接觸式位移測量,具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高等優(yōu)點(diǎn),被大量應(yīng)用于航天航空、機(jī)械等領(lǐng)域此模塊的設(shè)置只是為了提高插裝式2D伺服閥的性能(動(dòng)靜態(tài)等),適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場所(滯環(huán)小于5.5%,動(dòng)態(tài)頻響不低于30Hz),該閥不采用此模塊也可以滿足需求。1.4開環(huán)控制系統(tǒng)框圖根據(jù)上述分析,且不考慮LVDT反饋,可以得到插裝式2D伺服閥開環(huán)控制系統(tǒng)框圖,如圖9所示。系統(tǒng)以差動(dòng)電流Δi和作用在力矩馬達(dá)上的負(fù)載力矩T2圈寬/槽寬比例插裝式二維(2D)伺服閥的仿真主要是根據(jù)上述的動(dòng)態(tài)性能的支配方程,研究力矩馬達(dá)的差動(dòng)電流Δi(輸入)階躍變化時(shí),力矩馬達(dá)的磁極面積A從圖10(a)可以看出,隨著磁極面積的增大,階躍響應(yīng)時(shí)間反而增大。這是因?yàn)殡m然磁極面積變大會(huì)加快閥芯的響應(yīng)速度,但是也會(huì)增加其位移的穩(wěn)態(tài)值,從而導(dǎo)致階躍時(shí)間增加。從圖10(b)可以看出,隨著線圈匝數(shù)的增加,階躍響應(yīng)的時(shí)間不會(huì)發(fā)生變化,而且隨著線圈匝數(shù)的增加,閥芯位移成比例增加。這是因?yàn)榫€圈匝數(shù)在整個(gè)系統(tǒng)充當(dāng)?shù)慕巧喈?dāng)于一個(gè)放大系數(shù),對響應(yīng)時(shí)間無影響。從圖10(c)可以看出,高低壓槽的槽寬的改變不會(huì)影響閥芯位移的穩(wěn)態(tài)值。但是隨著槽寬的增加,響應(yīng)時(shí)間會(huì)略微減少,這是因?yàn)樵龃蟛蹖挄?huì)增加其流量增益,響應(yīng)速度變快,但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致泄漏變大。同時(shí)還可以看出,插裝式2D伺服閥的階躍響應(yīng)沒有超調(diào),表現(xiàn)出過阻尼的階躍響應(yīng)特性,這說明插裝式2D伺服閥是一個(gè)過阻尼系統(tǒng),穩(wěn)定性很好。3實(shí)驗(yàn)與研究3.1尺寸結(jié)合設(shè)計(jì)要求,最終設(shè)計(jì)的插裝式2D伺服閥尺寸為38mm×38mm×89mm,質(zhì)量為155g,流量為12.6L/min。實(shí)物如圖11所示,安裝如圖12所示。3.2開環(huán)下的實(shí)驗(yàn)測試實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)的原理框圖如圖13所示。測試系統(tǒng)主要包含信號(hào)發(fā)生器、示波器、插裝式2D伺服閥、流量計(jì)、液壓泵站、激光位移傳感器等。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為浙江工業(yè)大學(xué)二維(2D)液壓氣動(dòng)工程研究中心。改變截止閥可以實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能,即不同的測試工況。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生不同的輸入曲線,激光位移傳感器直觀的顯示閥芯位移變化。結(jié)合設(shè)計(jì)要求,本次實(shí)驗(yàn)主要測量該閥在開環(huán)情況下的動(dòng)靜態(tài)特性、分辨率以及階躍相應(yīng)。在開環(huán)情況下,LVDT信號(hào)(型號(hào)為CD375,量程為±0.63mm)作為樣機(jī)的輸出信號(hào)。圖14即為實(shí)驗(yàn)測試圖。(實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓力10MPa,室溫20°)3.3結(jié)果3.3.1輸出壓力函數(shù)圖15為插裝式2D伺服閥的開環(huán)靜態(tài)測試曲線,其實(shí)驗(yàn)條件為:截止閥7、8、9打開,系統(tǒng)壓力10MPa、b口通過流量計(jì)相連,此時(shí)流量計(jì)可以當(dāng)靜態(tài)的液壓缸,伺服閥滿量程輸入,即±0.3mm的閥芯位移(由于流量配磨的限制,現(xiàn)在只能通過位移曲線替代流量曲線,±0.3mm的位移對應(yīng)的流量大小為12.6L/min)。信號(hào)發(fā)生器給出的輸入信號(hào)為電壓信號(hào),頻率為0.02Hz,曲線樣式為正弦波,輸出信號(hào)為閥芯的位移信號(hào)。由曲線得知:開環(huán)情況下滯環(huán)大小為5%,線性度均滿足指標(biāo)。這是因?yàn)槁菪欧C(jī)構(gòu)本身具有反饋功能,所以在開環(huán)的情況下也能保持良好的滯環(huán)和線性度。理論的開環(huán)曲線優(yōu)于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,是因?yàn)闆]有考慮到力矩馬達(dá)的滯環(huán),同時(shí)在建立傳遞函數(shù)時(shí)將一些參數(shù)進(jìn)行線性化分析。3.3.2電流表達(dá)方式分辨率是使伺服閥的流量發(fā)生變化(增大或減少)的輸入電流的最小增量。本次測量方法為:在10%的輸入信號(hào)處停止,緩慢減小電流,讀取位移變化。伺服閥測試的輸入信號(hào)為電壓信號(hào),大小為0.6～1.0V,選0.794V時(shí),閥芯位移為1.6457mm,緩慢減小輸入信號(hào)值,得出位移與輸入信號(hào)的對應(yīng)關(guān)系,如表3所示,開環(huán)下的分辨率≤1%。3.3.3插裝式2d伺服閥階躍響應(yīng)階躍響應(yīng)曲線指伺服閥零位到單邊最大開口時(shí),流量(位移)曲線隨輸入信號(hào)(電壓信號(hào))的響應(yīng)時(shí)間。圖16即為開環(huán)響應(yīng)曲線。滿量程輸入,系統(tǒng)壓力10MPa,室溫20°。插裝式2D伺服閥階躍響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為過阻尼,且無超調(diào),這與仿真結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)開環(huán)響應(yīng)時(shí)間為10ms,而仿真結(jié)果約為8ms,這可能是沒有考慮到力矩馬達(dá)滯環(huán)的影響。而一般伺服閥的響應(yīng)時(shí)間大概為20～40ms之間,相比之下插裝式2D伺服閥的響應(yīng)速度非常快,這主要是因?yàn)椴捎昧?D閥的結(jié)構(gòu),同時(shí)有一些系統(tǒng)的優(yōu)化如馬達(dá)采用動(dòng)鐵式,伺服螺旋機(jī)構(gòu)將高低壓孔改成高低壓槽等。3.3.4閥的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性表征輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)的跟隨能力。本次實(shí)驗(yàn)中,信號(hào)發(fā)生器給出不同頻率的滿量程正弦波輸入信號(hào),得到多組輸出信號(hào)(位移信號(hào))與輸入信號(hào)(電壓信號(hào))的正弦波跟隨曲線。結(jié)合動(dòng)態(tài)頻響的定義,以1Hz作為幅頻與相頻的基準(zhǔn)信號(hào),將動(dòng)態(tài)特性曲線整理如圖17所示。截止閥9打開,滿量程輸入,系統(tǒng)壓力10MPa,室溫20°。由圖17得插裝式2D伺服閥的幅頻(-3dB)約為35Hz,相頻(-90°)約為45Hz。即在滿量程輸入時(shí),插裝式2D伺服閥的開環(huán)動(dòng)態(tài)頻響為35Hz。3.4lvtc閉環(huán)控制插裝式2D伺服閥的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示,開環(huán)下的性能已經(jīng)能滿足要求,而如果通過LVDT實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,其性能還可以有很大的提高。因此,在正常情況下該閥開環(huán)即可,而在要求更高的場合可以采用閉環(huán)。4插裝閥的特性1)本文研究的插裝式2D伺服閥,通過力矩馬達(dá)的偏轉(zhuǎn)角度來直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制伺服閥的輸出流量,同時(shí)還可以通過LVDT檢測閥芯位移實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。2)插裝式2D伺服閥相對于普