[科普中國(guó)]-水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥

簡(jiǎn)介

水下機(jī)器人作為深海作業(yè)的重要工具，是海洋探索、海洋開(kāi)發(fā)服務(wù)最為重要的裝備.而由海水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)機(jī)器人研制必然為海底資源探測(cè)、海底打撈與救生、海底油氣資源開(kāi)發(fā)等提供有力而可靠的工具，成為深海無(wú)人作業(yè)的主力軍，同時(shí)對(duì)海軍軍事建設(shè)等水下作業(yè)任務(wù)具有重要的意義.因此，提高我國(guó)水壓機(jī)器人技術(shù)刻不容緩，具有一定的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

目前，國(guó)內(nèi)外所研制的液壓機(jī)械手主要以油壓系統(tǒng)為主，其中的控制元件主要為油壓比例閥或伺服閥，對(duì)傳動(dòng)介質(zhì)的污染度提出了更高的要求，由于水液壓比例閥或伺服閥至今發(fā)展并不成熟，限制了水液壓系統(tǒng)在液壓機(jī)械手中的應(yīng)用.但是，以水為工作介質(zhì)的錐閥類運(yùn)動(dòng)部件之間配合公差小、動(dòng)作靈敏，可實(shí)現(xiàn)微小或零泄漏，同樣可以滿足機(jī)械手在控制精度和速度方面的要求。

與傳統(tǒng)的高速開(kāi)關(guān)閥相比較，新型直驅(qū)式開(kāi)關(guān)閥利用推力較大的線性作動(dòng)器直接推動(dòng)閥芯，去掉了噴嘴一擋板等前置級(jí)，減少了先導(dǎo)級(jí)的泄漏問(wèn)題，提高了其抗污染能力和工作可靠性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，同時(shí)降低了生產(chǎn)加工成本.此外直驅(qū)式開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)便于在閥芯上和位移傳感器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而大大提高了開(kāi)關(guān)閥的靜態(tài)特性，在機(jī)器人控制領(lǐng)域具有十分廣闊的前景，因此受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注

通過(guò)音圈電機(jī)控制技術(shù)與水液壓技術(shù)緊密結(jié)合，將音圈電機(jī)的高速、高精度、快響應(yīng)與錐閥結(jié)構(gòu)的密封可靠性相結(jié)合，提出一種音圈電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式水壓高速開(kāi)關(guān)閥.為了實(shí)現(xiàn)大功率重載型水壓機(jī)器人的高精度控制，需對(duì)水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深人分析，以滿足我國(guó)日益增長(zhǎng)的海洋開(kāi)發(fā)、海洋探索等重大裝備的需求，促進(jìn)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)的發(fā)展。

水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)原理水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥采用音圈電機(jī)作為作動(dòng)器，在結(jié)構(gòu)上具有簡(jiǎn)單小巧、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，在控制上具有響應(yīng)速度快、控制精度高以及力控制精確性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有使用周期長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)頻率高等特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.音圈電機(jī)與開(kāi)關(guān)閥閥芯通過(guò)螺釘固連在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)音圈電機(jī)一開(kāi)關(guān)閥閥芯的直接快速驅(qū)動(dòng)控制，降低音圈電機(jī)動(dòng)子和閥芯之間的振動(dòng)沖擊噪聲。

水壓高速開(kāi)關(guān)閥閥芯采用分體平衡結(jié)構(gòu)，即主閥芯和補(bǔ)償密封活塞通過(guò)鎖緊螺母壓緊，鎖緊螺母和補(bǔ)償密封活塞之間由密封圈進(jìn)行密封，保證流經(jīng)閥口的介質(zhì)不泄漏，最終在鎖緊螺母的連接作用下使主閥芯和補(bǔ)償密封活塞共同構(gòu)成水壓高速開(kāi)關(guān)閥閥芯.該分體閥芯平衡結(jié)構(gòu)能夠保證水壓高速開(kāi)關(guān)閥在關(guān)閉狀態(tài)下閥芯軸向面上保持壓力平衡，使閥芯不受壓力的作用，從而降低音圈電機(jī)的推拉力需求;同時(shí)在開(kāi)啟時(shí)保證作用在水壓高速開(kāi)關(guān)閥閥芯上的壓力能夠與作用在補(bǔ)償密封活塞上的壓力相抵消。

所研制的水壓高速開(kāi)關(guān)閥具有流量大、響應(yīng)速度快等顯著特點(diǎn)，在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中能夠保證作用在閥芯上的壓力平衡，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)水壓高速開(kāi)關(guān)閥的快速開(kāi)啟和關(guān)閉.為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗污染能力，開(kāi)關(guān)閥閥芯和閥座之間采用錐面密封結(jié)構(gòu)，大大提高了閥口的密封可靠性 水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥工作原理如圖2所示.當(dāng)水壓高速開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉時(shí)(如圖2(a)所示)，即音圈電機(jī)推動(dòng)閥芯向下運(yùn)動(dòng)，流經(jīng)進(jìn)口的高壓介質(zhì)作用在閥芯的上端周向面上，閥芯在軸向方向不受介質(zhì)壓力作用，在音圈電機(jī)推力的作用下閥芯和閥座能夠緊密關(guān)閉;當(dāng)水壓高速開(kāi)關(guān)閥向上開(kāi)啟時(shí)(如圖2 (b)所示)，即音圈電機(jī)拉動(dòng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)音圈電機(jī)只需克服閥芯上下兩端密封圈的摩擦力即可，使高速開(kāi)關(guān)閥在音圈電機(jī)拉力的作用下快速向上開(kāi)啟;當(dāng)開(kāi)關(guān)閥開(kāi)啟后，由于閥芯下端密封直徑和閥座與閥口上端密封處的直徑相等，即閥芯下端A1環(huán)形作用面積與閥口處的A2軸向投影作用面積相等，因此流經(jīng)閥口的高壓介質(zhì)作用在閥芯A1環(huán)形作用面積和A2軸向投影作用面積上的液壓力大小相等，在音圈電機(jī)拉力的作用下高速開(kāi)關(guān)閥閥口始終開(kāi)啟，此時(shí)當(dāng)開(kāi)關(guān)閥再次關(guān)閉時(shí)在音圈電機(jī)向下的推力作用下僅需克服密封圈的摩擦力即可，從而降低了音圈電機(jī)所需推力要求，保證水壓高速開(kāi)關(guān)閥在音圈電機(jī)推拉力的作用下快速開(kāi)啟、關(guān)閉，并且密封可靠。

水壓高速開(kāi)關(guān)閥AMESim動(dòng)態(tài)仿真模型為了實(shí)現(xiàn)水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，在AMESim仿真軟件中構(gòu)建了水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥的AMESim仿真模型，如圖3所示.其中，設(shè)置壓力源大小為8MPa，即高速開(kāi)關(guān)閥進(jìn)口壓力為恒定值，其中彈簧力起到閥芯的預(yù)緊作用，可忽略其對(duì)高速開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影響.將在MATLAB/Simulink中求得的音圈電機(jī)數(shù)學(xué)模型與AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，使水壓高速開(kāi)關(guān)閥在音圈電機(jī)推拉力的作用下能夠快速開(kāi)啟、關(guān)閉.

在水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥AMESim仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，開(kāi)展開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)性能仿真研究.通過(guò)改變開(kāi)關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小，分析高速開(kāi)關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(如錐面閥芯直徑、錐面閥芯錐角以及閥套孔直徑等)對(duì)開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的影響，實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，從而提高水壓高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)性能。

仿真結(jié)果及分析水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥是電、磁(音圈電機(jī))和機(jī)、液(開(kāi)關(guān)閥本體)緊密結(jié)合的非線性藕合系統(tǒng).水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性與其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)緊密相關(guān)，因此，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，需對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，選擇出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而提高開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度.由于所采用的音圈電機(jī)為商業(yè)化產(chǎn)品，為了仿真的準(zhǔn)確性，在此直接利用其相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)，不考慮其對(duì)水壓開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影響.

基于AMESim批處理的單參數(shù)影響分析

通過(guò)單參數(shù)對(duì)水壓高速開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)特性的影響分析，研究不同參數(shù)變化與性能指標(biāo)之間的關(guān)系曲線，不僅可得到不同參數(shù)變化對(duì)性能指標(biāo)的影響趨勢(shì)及影響規(guī)律，同時(shí)還可獲得參數(shù)靈敏度的直觀概念.所要研究的變化參數(shù)主要包括[ ;1)錐面閥芯直徑;;2)錐面閥芯錐角;3)閥套孔直徑，具體為:首先選擇局部?jī)?yōu)化口標(biāo)參數(shù)，同時(shí)假定水壓高速開(kāi)關(guān)閥的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)定口標(biāo)參數(shù)最大值和最小值區(qū)間范圍，進(jìn)行批處理仿真分析，通過(guò)仿真結(jié)果觀察口標(biāo)參數(shù)對(duì)水壓高速開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影響，進(jìn)而初步確定其最佳優(yōu)化值.下面將對(duì)單參數(shù)與性能指標(biāo)的變化關(guān)系加以分析，并得出其變化曲線.

錐面閥芯直徑對(duì)開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)性能的影響

根據(jù)開(kāi)關(guān)閥額定流量要求，初步選取開(kāi)關(guān)閥錐面閥芯直徑為20,22,24,26,28 mm進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真分析，可得水壓高速開(kāi)關(guān)閥的出口流量曲線如圖4所示，.由圖4可見(jiàn)，開(kāi)關(guān)閥出口流量隨閥芯直徑的增大沒(méi)有明顯變化，可知開(kāi)關(guān)閥通流面積并未隨閥芯直徑的增大而改變，開(kāi)關(guān)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)隨閥芯直徑的增大而變快.因此，從減小開(kāi)關(guān)閥體積和質(zhì)量的角度對(duì)閥芯直徑進(jìn)行綜合考慮，初步選取閥芯直徑為24 mm.

水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥試驗(yàn)研究在以上研究的基礎(chǔ)上，研制了水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥樣機(jī)(如圖18所示)，并在純水液壓閥性能試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行了性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖19所示.所設(shè)計(jì)的水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥采用耐海水腐蝕材料制造，設(shè)計(jì)額定壓力為8 MPa，最大流量可達(dá)100 L/min.構(gòu)建了水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥性能試驗(yàn)臺(tái)(如圖20所示)，系統(tǒng)額定壓力為8MPa，最大流量可達(dá)100 L/min.

同時(shí)沒(méi)有安裝冷卻裝置，造成電機(jī)發(fā)熱明顯，導(dǎo)致音圈電機(jī)在推拉開(kāi)關(guān)閥閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的滯后現(xiàn)象，使水壓直驅(qū)式高速開(kāi)關(guān)閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變慢.