大流量高速開關(guān)閥關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高速開關(guān)閥是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來電液數(shù)字控制元件，具有體積小、切換速度快、控制靈活、可靠性高、無需D/A轉(zhuǎn)換接口就可由計算機(jī)直接控制等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、工程機(jī)械、冶金機(jī)械、煤礦機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等設(shè)備中。近年來，雖然高速開關(guān)閥的功率、流量成兩級分化趨勢，但對快速響應(yīng)都提出了極高的要求。微型高速開關(guān)閥因其閥芯質(zhì)量低、行程和流量小，響應(yīng)速度很快，但大流量高速開關(guān)閥因流量、閥芯質(zhì)量、閥芯行程和工作壓力等因素的影響，提高響應(yīng)速度難度極大

2、。高速開關(guān)閥響應(yīng)速度的提高，不僅能提高控制系統(tǒng)速度、控制精度，也能在緊急情況下保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。隨著液壓系統(tǒng)朝著高壓、大功率和高速方向發(fā)展，對高速開關(guān)閥的性能提出了更高的要求。
　　為滿足彈射系統(tǒng)和大功率快速鎖緊液壓系統(tǒng)對高速開關(guān)閥的性能要求，提高高速開關(guān)閥的流量和響應(yīng)速度，本課題從兩個方面進(jìn)行大流量高速開關(guān)閥的關(guān)鍵技術(shù)研究:一是高速開關(guān)閥閥芯、閥體的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計;二是電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與優(yōu)化設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下

3、:
　　(1)液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)具有響應(yīng)速度快、固有頻率高、動態(tài)性能好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，可作為提高大流量高速開關(guān)閥流量和快速性的設(shè)計方案。為克服傳統(tǒng)直動式單級電液閥難以實現(xiàn)高壓大流量控制和導(dǎo)控型電液閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，閥芯采用液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)的設(shè)計方案，實現(xiàn)閥芯大行程、大推力控制，以提高高速開關(guān)閥流量和響應(yīng)速度。研究工作壓力、初始弓高、面積梯度、敏感腔容積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)快速性的影響，研究結(jié)果表明液壓伺服螺旋機(jī)構(gòu)在-3dB

4、幅值衰減下的頻響約160Hz，階躍響應(yīng)上升時間約2ms。
　　(2)針對2D閥的驅(qū)動要求，為提高高速開關(guān)閥的流量與響應(yīng)速度，提出六葉片轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電磁鐵的設(shè)計方案，其具有轉(zhuǎn)慣量低、角位移大、響應(yīng)速度快的特點，特別適合作為2D閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器。建立了理論模型，設(shè)計了實驗方案，進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電磁鐵的靜態(tài)特性和動態(tài)特性仿真分析和實驗研究，結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)電磁鐵轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩基本恒定，六葉片轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)電磁鐵轉(zhuǎn)矩約為0.04N.m;旋轉(zhuǎn)電磁鐵轉(zhuǎn)子角位移

5、滿行程為12.5°，上升時間約為5ms。
　　(3)針對液壓彈射系統(tǒng)對高速開關(guān)閥的性能要求，提出旋轉(zhuǎn)電磁鐵驅(qū)動2D液動開關(guān)閥的設(shè)計方案，為減輕閥總重量，采用無閥套結(jié)構(gòu)，閥體外表面鏤空;進(jìn)行了動態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模和仿真分析，設(shè)計了實驗方案，進(jìn)行了樣機(jī)研制，仿真和實驗研究結(jié)果表明:系統(tǒng)工作壓力為28MPa，閥芯行程0.8mm時，階躍響應(yīng)的上升時間約為5ms，6mm通徑閥的流量高達(dá)60L/min;2D電液高速開關(guān)閥在-55℃～+135℃工

6、作溫度范圍能穩(wěn)定工作，在42MPa的工作壓力下，開關(guān)20萬次后性能穩(wěn)定，滿足4代機(jī)(J20)的工作要求。
　　(4)鑒于大功率液壓快速鎖緊系統(tǒng)要求高速開關(guān)閥流量高達(dá)450L/min，動態(tài)關(guān)閉時間小于8ms的性能要求，提出2D電液高速開關(guān)閥控大流量錐閥的設(shè)計方案，增大錐閥導(dǎo)控流量和壓力，提高閥芯關(guān)閉速度。為降低大流量錐閥關(guān)閉時的閥芯沖擊和消除閥芯振蕩，提出閥芯擠壓油膜緩沖的設(shè)計方案，設(shè)計結(jié)構(gòu)，建立理論模型，并進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明:

7、擠壓油膜緩沖器阻尼和緩沖力與擠壓油膜厚度的三次方成反比，與閥芯運(yùn)動速度成正比，在閥芯前97.5％的行程內(nèi)，閥芯所受緩沖力極小，緩沖器的使用對閥芯速度幾乎沒有影響，在閥芯末端2.5％行程內(nèi)，閥芯產(chǎn)生極大的緩沖力與阻尼，大大減小閥芯末速度，實現(xiàn)閥芯緩沖。
　　(5)為提高大流量錐閥的鎖緊速度，在建立動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究關(guān)鍵參數(shù)對大流量錐閥關(guān)閉性能的影響，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù);仿真結(jié)果表明:在6mm行程內(nèi)，閥芯動態(tài)關(guān)閉時間約為8ms;

8、擠壓油膜緩沖器的初始厚度越小，閥芯緩沖效果越好，當(dāng)擠壓油膜的初始厚度約為0.1mm時，擠壓油膜的最大輸出力可達(dá)到43KN，閥芯在最后0.15mm的行程內(nèi)平均阻力高達(dá)3T，閥芯速度迅速從3.4m/s降低到0.1m/s，大大減小閥芯沖擊，消除閥芯振蕩。
　　(6)設(shè)計2D電液高速開關(guān)閥和大流量高速開關(guān)閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性實驗方案，研制樣機(jī)，搭建實驗平臺，實驗研究閥的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。實驗結(jié)果表明:2D電液高速開關(guān)閥的動態(tài)性能良好，