有那些參數(shù)影響減壓閥性能

有那些參數(shù)影響減壓閥性能|影響減壓閥性能的主要因素
為了進(jìn)一步分析減壓閥的性能及特性，以下對(duì)影響該減壓閥性能的主要因素比例電磁鐵的性能、先導(dǎo)級(jí)結(jié)構(gòu)、調(diào)壓腔體積和氣動(dòng)活塞上節(jié)流孔直徑等因素進(jìn)行定性分析
2．3．1比例電磁鐵的性能
比例電磁鐵作為電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器件，其功能是將比例控制放大器輸出給的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成力或者位移信號(hào)輸出。比例電磁鐵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、單位重量推力大，是比例控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的電一機(jī)械轉(zhuǎn)換器件。其動(dòng)態(tài)性能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，尤其是閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能（如工作頻寬、快速性和穩(wěn)定性等）有著重要的影響。它有單向和雙向兩種，常用的為單向型。比例電磁鐵根據(jù)使用情況和調(diào)節(jié)參數(shù)的不同，可分為力控制型、行程控制型和位置調(diào)節(jié)型三種基本應(yīng)用類(lèi)型。
A．力控制型比例電磁鐵
力控制型比例電磁鐵直接輸出力，它的工作行程較短，～般用于比例閻的先導(dǎo)級(jí)上。在工作區(qū)內(nèi)，具有水平的位移一力特性，即其輸出力只與輸入電流成比例，而與位移無(wú)關(guān)。
B行程控制型比例電磁鐵
行程控制型比例電磁鐵，是由力控制型比例電磁鐵與負(fù)載彈簧共同工作而形成的，電磁鐵的輸出力通過(guò)彈簧轉(zhuǎn)換成輸出位移。即行程控制型比例電磁鐵，實(shí)現(xiàn)了電流～力位移的線性轉(zhuǎn)換。這種類(lèi)型的比例電磁鐵，其輸出量是與電流成比例的位移，工作行
程較大，多用在直接控制型比例閥上。
C位置調(diào)節(jié)型比例電磁鐵
           它的銜鐵位置，即由其推動(dòng)的閥芯位置，通過(guò)?閉環(huán)調(diào)節(jié)同路進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要電磁鐵運(yùn)行在允許的工作區(qū)域內(nèi)，其銜鐵就保持與輸入電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的位置不變，而與所受反力無(wú)關(guān)，即的負(fù)載剛度很大。這類(lèi)比例電磁鐵多用于控制精度要求較高的直接控制式比例閥上。在結(jié)構(gòu)上，除了銜鐵的一端接上位移傳感器外，其余與力控制型、行程控制型比例電磁鐵相同。除了上述常用的單向比例電磁鐵外，其它型式還有：雙向極化式耐高壓比例電磁鐵、插裝閻式比例電磁鐵、旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵、防爆比例電磁鐵以及內(nèi)裝集成比例放大器式比例電磁鐵。調(diào)壓腔的體積
            在該減壓閥中采用了帶位移傳感器的力控制型比例電磁鐵，位移傳感器可以和先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧及控制器配合使用將比例電磁鐵改造成位置調(diào)節(jié)型比例電磁鐵。在本設(shè)計(jì)中未做此項(xiàng)工作，位移傳感器的作用僅僅是用于監(jiān)測(cè)先導(dǎo)閥閥芯的運(yùn)動(dòng)狀況，以利于分析減壓閥的工作原理。對(duì)于比例電磁鐵的要求與通常的電液／電氣比例控制技術(shù)對(duì)比例電磁鐵提出了一定的要求基本一致，主要有以下三點(diǎn)：a）水平的位移——力特性，即在比例電磁鐵的有工作行程內(nèi)，當(dāng)先前電流一定時(shí)，其輸出力保持恒定。b）穩(wěn)態(tài)電流～力特性具有良好的線性度，較小的死區(qū)及滯回。c）階越響應(yīng)快，頻響高。其中比例電磁鐵的頻率響應(yīng)特性是影響減壓閥頻率響應(yīng)特性的首要因素，響應(yīng)速度越快意味著比例電磁鐵對(duì)于輸出壓力變化而對(duì)先導(dǎo)閥口所采取的開(kāi)度調(diào)節(jié)反應(yīng)越快，才可能獲得更高精度的輸出壓力。
2．3．2先導(dǎo)級(jí)的結(jié)構(gòu)
對(duì)于該減壓閥先導(dǎo)氣路的要求主要有以下幾點(diǎn)：
（】） 對(duì)先導(dǎo)級(jí)閥芯的控制力要求要?。?，
（2） 先導(dǎo)級(jí)移動(dòng)部件具有較小的慣性，以保證較高的靈敏度；
（3）先導(dǎo)級(jí)的流量應(yīng)控制在較小的范圍內(nèi)，以減少控制功率損耗；
（4）先導(dǎo)閥閥口必須有適當(dāng)?shù)拿娣e，以防止堵塞。
           考慮以上因素在該減壓閥的先導(dǎo)閥閥芯采用兩級(jí)節(jié)流口串聯(lián)的滑閥式結(jié)構(gòu)，并且采用了閥套的結(jié)構(gòu)方式，改善了加工工藝，使得結(jié)構(gòu)形式更加靈活，有利于減小了先導(dǎo)級(jí)的間隙。采用滑閥結(jié)構(gòu)具有移動(dòng)的導(dǎo)向性好，容易利用端面作為反饋力的作用面而不受迸氣端高壓氣體產(chǎn)生的密封壓力作用，穩(wěn)定性好而噪聲低，摩擦阻力小，先導(dǎo)閥靈巧反應(yīng)快，且采用非全周閥口易于構(gòu)成較小的通流斷面，而且閥口無(wú)沖擊等特點(diǎn)。不足之處是帶來(lái)了微量的氣體泄漏問(wèn)題，必須控制軸向尺寸和考慮零位調(diào)整的方便性，且尺ir和
質(zhì)量略大。

        從減小先導(dǎo)級(jí)的耗氣量和控制閥體體積的角度出發(fā)，希望在先導(dǎo)級(jí)的可變氣體阻尼及固定氣體阻尼均采用盡可能小的節(jié)流口，但考慮加工的工藝性以及防止堵塞先導(dǎo)閥I必須有適當(dāng)?shù)拿娣e。為有效遏制流量先導(dǎo)級(jí)采用的是對(duì)稱(chēng)布置的長(zhǎng)方孔的非全周閥口，長(zhǎng)方孔的工藝較差但面積增益為常數(shù)，具有較好的線性特性。為了進(jìn)一步遏制先導(dǎo)流量而又不增加加工工藝的難度，先導(dǎo)級(jí)采用了兩級(jí)節(jié)流口串聯(lián)的方式如圖2-3所示。采用串聯(lián)節(jié)流閥口的方式大大改善了先導(dǎo)閥的加工工藝特性，使得在獲得相同先導(dǎo)流量的情況下，節(jié)流閥口可以采用大得多的通流斷面。同時(shí)該結(jié)構(gòu)方式可改善氣流從進(jìn)氣口到調(diào)壓腔流動(dòng)過(guò)程中的臃塞現(xiàn)象。如圖所示在減壓閥的先導(dǎo)閥閥芯的兩端開(kāi)有均勻分布的溝槽，用于平衡閥芯圓周方向的氣體壓力，以減小氣壓不平衡所帶來(lái)的側(cè)向力導(dǎo)致摩擦力，防止卡緊。
       溝槽還可以用于容納潤(rùn)滑脂，改善閥芯和閥套之間的潤(rùn)滑。由于在該減壓閥中先導(dǎo)氣流是排入排氣腔的，因此滑閥結(jié)構(gòu)帶來(lái)的泄漏因素使得先導(dǎo)閥閥芯與閥套之間的間隙配合大小成為影響減壓閥性能不可忽略的一項(xiàng)重要因素。在減壓閥處于非工作狀態(tài)時(shí)，從先導(dǎo)間隙泄漏出去的流量直接導(dǎo)致減壓閥無(wú)法保證輸出端的靜壓特性。即當(dāng)負(fù)載流量為零時(shí)，該減壓閥無(wú)法保證出口端的壓力維持不變。當(dāng)減壓閥處于正常工作狀態(tài)時(shí)，因?yàn)檎{(diào)壓腔的工作特性（壓力變化由流入和流出調(diào)壓腔的流量差決定），只要泄漏量維持在一定的水平之下，泄漏不會(huì)顯著影響減壓閥的動(dòng)態(tài)壓力特性；但是從理論上就限定了減壓閥正常工作的負(fù)載流量不可能低于先導(dǎo)級(jí)的泄漏量。為了避免上述泄漏的影響可以在先導(dǎo)氣路的先導(dǎo)閥閥芯前方或者后方串聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)電磁鐵，用于在先導(dǎo)閥閥芯關(guān)閉的同時(shí)截?cái)嘞葘?dǎo)氣流。當(dāng)然這樣做會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜，尤其是控制算法變得更加復(fù)雜。由于本設(shè)計(jì)屬于探索性研究，對(duì)于該項(xiàng)功能的研究暫剛不給予考慮。
           單獨(dú)的力控制型比例電磁鐵無(wú)法實(shí)現(xiàn)在該減壓閥中位置控制的任務(wù)，它必須與先導(dǎo)閥復(fù)位彈簧配合使用才能達(dá)到位置控制的要求。彈簧的剛度也成了影響減壓閥性能的一項(xiàng)重要因素，剛度太大，使得比例電磁鐵所能控制的線性位移長(zhǎng)度過(guò)小，先導(dǎo)閥的增益變化量減小。剛度太小，又會(huì)使得比例電磁鐵在較小的控制信號(hào)作用下輸出力就使得彈簧壓縮量超過(guò)其有效使用范圍，即無(wú)法充分利用比例電磁鐵的線性區(qū)間。
2．3．3調(diào)壓腔的體積和氣動(dòng)活塞節(jié)流孔的直徑
        調(diào)壓腔的體積從減小閥的總體尺寸上來(lái)說(shuō)是越小越好，但受先導(dǎo)閥閥口尺寸的大小和氣動(dòng)活塞尺寸大小的限制。在先導(dǎo)閥閥口尺寸固定及比例電磁鐵的性能不變的條件下，增大調(diào)壓腔的容積，使得調(diào)壓腔的壓力變化速率下降，即導(dǎo)致減壓閥總體的頻率響應(yīng)特性降低，但可以提供減壓閥的穩(wěn)定性。反之則可以提升減壓閥的頻率響應(yīng)，但犧牛牛_『穩(wěn)定性。調(diào)壓腔對(duì)于減壓閥的輸出壓力精度也有一定的影響，大致上是，體積增大精度提高，體積減小精度降低。氣動(dòng)活塞上的節(jié)流孔大小，應(yīng)該與先導(dǎo)閥的節(jié)流孔大小協(xié)調(diào)起來(lái)，它對(duì)于減壓閥性能的影響與調(diào)壓腔的體積相似主要從響應(yīng)頻率和穩(wěn)定性分析。較大的節(jié)流孔，具有較快的調(diào)壓壓力變化速率，可獲得較快的頻率響應(yīng)，但也意味著具有較大的先導(dǎo)氣流流量，其作用相當(dāng)于減小了調(diào)壓腔的體積，所以也會(huì)導(dǎo)致減壓閥穩(wěn)定性的降低。反之，較小的節(jié)流孔，可獲得較好的穩(wěn)定性，但具有較低的頻率響應(yīng)特性。
2．3．4反饋腔的體積
        反饋腔氣體起著平衡主閥閥芯受力狀況的重要作用，提高主閥閥芯的靈敏度。此外，由于反饋腔與出口腔通過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔連通，它還起到一個(gè)節(jié)流緩沖的作用，作為氣體阻尼，減小主閥閥芯的振蕩。以氣體彈簧為模型進(jìn)行分析，增大反饋腔，相當(dāng)于降低了彈簧剛度：減小反饋腔相當(dāng)于增大了彈簧剛度。
2．3．5密封
      密封是該減壓閥中需要解決的一項(xiàng)重要任務(wù)，減壓閥中的密封點(diǎn)多，密封的類(lèi)型多，要求各不一樣。其中靜密封有四處各為：壓蓋與主閥閥體、螺堵與主閥閥體、先導(dǎo)閥壓蓋先導(dǎo)閥閥體、閥套與先導(dǎo)閥閥體之間的密封。這四處?kù)o密封主要考慮密封壓力較大，要保證較小的擠出間隙，以防止O形圈擠壓損壞。這四處密封中以閥套與先導(dǎo)閥閥體之間的密封產(chǎn)生的泄漏影響大，其直接影響了先導(dǎo)閥的正常工作。三處動(dòng)密封各為：氣動(dòng)活塞和主閥閥體、主閥閥：落與壓蓋、主閥口的密封。其中氣動(dòng)活塞和主閥閥體之間的密封，由于氣動(dòng)活塞兩側(cè)的壓力差較小，密封壓力小，較易于解決，且即使產(chǎn)生微量泄漏也不會(huì)嚴(yán)重影響減壓閥的性能，相當(dāng)于增大了氣動(dòng)活塞上節(jié)流孔的贏徑；主閥閥芯與壓蓋之問(wèn)的密封密封壓力大，而且主閥往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率高，易于磨損，需采用較小的擠出間隙，取適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量；主閥口的密封，屬于端面密封，主要考慮材料的強(qiáng)度和抗疲勞特性，且要保證較小的密封面。過(guò)大的密封面會(huì)造成主閥閥口開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)較大的壓力差，造成較大的沖擊。
2．3．6控制器的性能
          由于氣體的非線性特性在高壓條件下尤為明顯，而且在該比例減壓閥上采用的是電反饋閉環(huán)控制，控制器的性能對(duì)于減壓閥性能的影響就顯得格外重要?？刂破鲝墓δ苌峡煞譃樾盘?hào)采集處理和驅(qū)動(dòng)放大電路兩大部分。信號(hào)采集處理包含壓力位移流量等信號(hào)的采集（AD），采用適合的控制策略根據(jù)所采集獲得的減壓閥工作狀態(tài)信息給出適合的控制信號(hào)，以及輸出控制信號(hào)（DA）?？刂扑惴ㄊ茄芯康闹饕獌?nèi)容，采用PID控制是否已能獲得較滿(mǎn)意的效果，還是需要采用自適應(yīng)控制，模糊控制等較的控制策略才能達(dá)到目標(biāo)效果。在本設(shè)計(jì)中信號(hào)處理采用計(jì)算機(jī)加數(shù)據(jù)采集卡的方式實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)放大電路的作用主要是驅(qū)動(dòng)控制電．機(jī)械轉(zhuǎn)換元件，即驅(qū)動(dòng)比例電磁鐵。對(duì)于該電路有以下幾個(gè)基本要求：線性度好，精度高，具有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，動(dòng)態(tài)響鷹快，頻帶寬，功率放大級(jí)的損耗小，抗干擾能力強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，具有較方便的參數(shù)調(diào)節(jié)功能。在本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)放大電路使用了市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)的比例控制放大器。
2．4本章小結(jié)
本章對(duì)于自行設(shè)計(jì)的超高壓氣動(dòng)比例減壓閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對(duì)影響減壓閥主要特性的幾個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。分析指出比例電磁鐵的頻率響應(yīng)特性，調(diào)壓腔的體積以及先導(dǎo)閥閥口通流面積氣動(dòng)活塞的節(jié)流孔通徑是影響減壓閥特性的重要因素。