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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
題 目 工程機(jī)械用電液比例減壓閥
學(xué) 院 興湘學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào) 2010963130
姓 名 伍若翔
指 導(dǎo) 老 師 劉金剛
開 題 時(shí) 間 2014年3月
一、 選題的依據(jù)與意義
電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件。閥芯位移也可以以機(jī)械、液壓或電的形式進(jìn)行反饋。由于電液比例閥具有形式種類多樣、容易組成使用電氣及計(jì)算機(jī)控制的各種電液系統(tǒng)、控制精度高、安裝使用靈活以及抗污染能力強(qiáng)等多方面優(yōu)點(diǎn)，因此，電液比例減壓閥應(yīng)用領(lǐng)域日益拓寬。今年來(lái)研發(fā)生產(chǎn)的插裝式比例閥和比例多路閥充分考慮到工程機(jī)械的使用特點(diǎn)，具有先到控制、負(fù)載傳感和壓力補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｋ某霈F(xiàn)對(duì)移動(dòng)式液壓機(jī)械整體技術(shù)水平的提升具有重要意義。特別是在電控先到操作、無(wú)線遙控和有線遙控操作等方面展現(xiàn)了其良好的應(yīng)用前景。
電液比例閥,是電液比例控制技術(shù)的核心和主要功率放大元件,代表了流體控制技術(shù)的發(fā)展方向。它以傳統(tǒng)的工業(yè)用液壓控制閥為基礎(chǔ),采用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移信號(hào),按輸入電信號(hào)指令連續(xù)、成比例地控制液壓系統(tǒng)的壓力、流量或方向等參數(shù)。 雖然比例閥與伺服控制系統(tǒng)中的伺服閥相比,性能在某些方面還有一定的差距。但電液比例閥抗污染能力強(qiáng),減少了由于污染而造成的工作故障,可以提高液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性,更適用于工業(yè)過(guò)程;另一方面,比例閥的成本比伺服閥低,而且不包含敏感和精密的部件,更容易操作和保養(yǎng),因此在許多場(chǎng)合電液比例閥獲得了廣泛的應(yīng)用。
二、國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)用途和工作特點(diǎn)的不同,比例閥可以分為比例壓力閥(如比例溢流閥、比例減壓閥)、比例流量閥(如比例節(jié)流閥、比例調(diào)速閥)和比例方向閥(電液比例換向閥)三類。電液比例換向閥不僅能控制方向,還有控制流量的功能。下面分別綜述比例壓力閥和比例流量閥國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展。
1967年瑞士布林格爾(Beringer)公司生產(chǎn)出KL用于船體表面除銹涂漆工藝的比例方向節(jié)流閥,這是世界上最早的比例閥。1971年和1972年日本油研(Yuken)公司相續(xù)申請(qǐng)了比例壓力閥和比例流量閥的專利,引起了許多國(guó)家及公司的廣泛重視,推動(dòng)了比例閥技術(shù)的發(fā)展。這期間出現(xiàn)的比例壓力閥(溢流閥和減壓閥)基本是以傳統(tǒng)手調(diào)液壓閥為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái),區(qū)別僅是用比例電磁閥鐵取代了閥上原有的彈簧手調(diào)機(jī)構(gòu),閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則幾乎沒(méi)有變化。小流量閥采用直接作用式結(jié)構(gòu),大流量閥仍采用1936年美國(guó)人維克斯(HarryVickers)發(fā)明的/差動(dòng)式壓力控制原理0。因?yàn)椴话芸貐?shù)的反饋環(huán)節(jié),導(dǎo)致控制壓力隨著負(fù)載流量的不同而改變,這是此類比例閥的主要不足,而且由于比例電磁鐵性能較差,這類比例閥的工作頻寬低(僅1~5Hz),穩(wěn)態(tài)磁環(huán)大(4%~7%),體積也大,多用在開環(huán)系統(tǒng)。
20世紀(jì)80年代初,浙江大學(xué)路甬祥提出了壓力直接檢測(cè)原理,他應(yīng)用該原理設(shè)計(jì)的比例溢流閥獲得了德國(guó)發(fā)明專利。按此原理,國(guó)內(nèi)外研制的比例溢流閥和比例減壓閥的性能都獲得了顯著提高,實(shí)現(xiàn)了人們長(zhǎng)期以來(lái)所追求的等壓力特性。
從20世紀(jì)80年代后期開始,比例壓力控制技術(shù)的又一進(jìn)展是采用電氣閉環(huán)校正,出現(xiàn)了被控壓力―壓力傳感器檢測(cè)的新一代比例壓力閥。采用這種原理可將電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的非線性和先導(dǎo)閥的非線性擾動(dòng)都包含在閉環(huán)之內(nèi),因而可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制,同時(shí)利用電氣校正也可以很方便地改善閥的穩(wěn)定性和快速性。文獻(xiàn)介紹的采用力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)單噴嘴擋板閥作先導(dǎo)級(jí)的壓力直接電檢測(cè)型比例溢流閥和比例減壓閥,其穩(wěn)態(tài)特性達(dá)到了當(dāng)時(shí)幾乎完美的程度。日本油研(Yuken)公司同期推出的這種比例溢流閥更將電控器、放大器、壓力傳感器與閥集成為一體,閥上還帶有壓力數(shù)字顯示和報(bào)警裝置 。國(guó)內(nèi)浙江 大學(xué)也研制成功采用這一原理和PID調(diào)節(jié)技術(shù)的三通型比例壓力閥,獲得了同樣的效果 。為完善這一技術(shù),國(guó)外還發(fā)展了將A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、放大器與檢測(cè)單元集成為一體的壓力傳感器,降低了生產(chǎn)成本、提高了可靠性和精度,這一技術(shù)將 成為比例壓力控制的主要手段。
在模擬型比例元件發(fā)展的同時(shí),數(shù)字式的比例閥也獲得了蓬勃發(fā)展。由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的增量式數(shù)字壓力閥和用開關(guān)電磁鐵操縱的高速開關(guān)型數(shù)字壓力閥都已達(dá)到了使用階段。同模擬式閥相比,數(shù)字式的比例閥的優(yōu)點(diǎn)是更抗污染,開環(huán)控制精度高,無(wú)需A/D和D/A轉(zhuǎn)換器就能直接與計(jì)算機(jī)接口。不足之處是受控制功率的限制,系統(tǒng)頻寬較低,使得應(yīng)用范圍受到了限制。
為改善比例壓力閥的性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)(AachenTH)的澤納(F.Zehner)在文獻(xiàn)中重點(diǎn)研究了直接檢測(cè)的比例壓力閥,并特別介紹了采用直接壓力電檢測(cè)的比例溢流閥。我國(guó)浙江大學(xué)的郁凱元在文獻(xiàn)[17]中,分別研究了采用系統(tǒng)壓力直接檢測(cè)和主閥芯速度反饋的比例溢流閥和比例減壓閥,并提出采用主閥的三通結(jié)構(gòu)來(lái)改善比例減壓閥在無(wú)負(fù)載時(shí)的控制性能。
此外,國(guó)內(nèi)吳良寶等人用功率鍵合圖的方法對(duì)比例溢流閥的性能進(jìn)行了研究,主要研究了阻尼網(wǎng)絡(luò)對(duì)比例溢流閥性能的影響。印度學(xué)者達(dá)斯古浦塔(Dasgupta)也用功率鍵合圖的方法對(duì)電磁比例先導(dǎo)溢流閥的性能進(jìn)行了研究,并建立了比例閥的非線性模型。對(duì)采用B型液橋的直接檢測(cè)型比例溢流閥的性能進(jìn)行了仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì),改善了比例溢流閥的性能。國(guó)外學(xué)者曼科(S.Mamco)對(duì)帶先導(dǎo)流量恒定器的減壓閥和多種先導(dǎo)級(jí)結(jié)構(gòu)的直接檢測(cè)型溢流閥進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。提出在主閥芯上開不同圓形槽的
方法改善了先導(dǎo)式比例溢流閥的壓力特性。文獻(xiàn)研究了在滑閥上開槽的方式來(lái)消除滑閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力并用這種方法設(shè)計(jì)了單級(jí)的大流量溢流閥,取得了與雙級(jí)控制同樣的效果。
在對(duì)比例壓力閥性能進(jìn)行大量分析和研究的同時(shí),許多研究者也致力于從結(jié)構(gòu)原理上對(duì)比例閥進(jìn)行改進(jìn)。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)(AachenTH)的文加登(F.Weinganten)應(yīng)用線性液阻代替圓孔阻尼器,使溢流閥的動(dòng)態(tài)超調(diào)量及快速性略有改善。文獻(xiàn)提出用主閥芯與導(dǎo)閥芯之間的位置隨動(dòng)反饋來(lái)提高壓力直接檢測(cè)型溢流閥的快速性和穩(wěn)定性的方法,該閥具有較好的壓力流量特性。國(guó)內(nèi)學(xué)者曾祥榮研究了采用液動(dòng)力補(bǔ)償?shù)拇罅髁恐眲?dòng)式比例溢流閥,并且還對(duì)這種閥所采用的液動(dòng)力補(bǔ)償方法作了進(jìn)一步的研究[。1986年日本油研(Yuken)公司和德國(guó)派克(Par2ker)公司分別申請(qǐng)了壓力直接電檢測(cè)的比例溢流閥和壓力間接電檢測(cè)的比例溢流閥專利,這些都推動(dòng)了壓力電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。湖南大學(xué)黃勇針對(duì)比例壓力閥,在對(duì)比分析多種閥芯和閥腔幾何結(jié)構(gòu)后,優(yōu)化設(shè)計(jì)出一種新型閥芯和閥腔結(jié)構(gòu)的比例壓力閥。文獻(xiàn)采用PID控制和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)方法,對(duì)比例減壓閥進(jìn)行了緩沖控制研究。權(quán)龍?jiān)谄洳┦空撐闹刑岢鲂碌碾婇]環(huán)比例控制方法,并在比例減壓閥的出口與先導(dǎo)泄油口之間設(shè)置一旁通流量調(diào)節(jié)器,可解決現(xiàn)有比例減壓閥在負(fù)載很小時(shí)不能穩(wěn)定工作的難題。
傳統(tǒng)電液比例閥是以比例電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)裝置的電-液信號(hào)轉(zhuǎn)換元件,雖然其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,抗污染能力較強(qiáng),價(jià)格較為低廉。但存在著運(yùn)動(dòng)部件體積慣量大(兩端對(duì)置),支撐部位多,摩擦力大、線性度差等固有弊病。同時(shí),由于比例電磁鐵固有特性的限制,導(dǎo)致電液比例閥無(wú)論在響應(yīng)時(shí)間還是在響應(yīng)速度上都不是很快,響應(yīng)速度稍高的但流量又太小,滯環(huán)大、死區(qū)大,而且給系統(tǒng)的控制算法帶來(lái)困難。以力矩馬達(dá)為驅(qū)動(dòng)裝置的電液伺服閥雖然控制品質(zhì)較好、頻響高、滯環(huán)小、死區(qū)亦小、且線性度好,但伺服閥對(duì)油液的污染十分敏感,系統(tǒng)的過(guò)濾成本高,且其加工難度大,價(jià)格昂貴,限制了伺服閥的應(yīng)用。
可以看出,目前,無(wú)論是電液伺服閥還是電液比例閥,都無(wú)法同時(shí)滿足液壓控制系統(tǒng)高速、高精度、大流量、低成本、抗污染等要求。
為此,必須開發(fā)一種全新的液壓閥技術(shù),能夠綜合這兩類閥的長(zhǎng)處,克服它們的短處,這就是超高速電液比例閥。
超高速電液比例閥能實(shí)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)液流方向和流量的控制功能,滿足系統(tǒng)高速、高精度、大流量、低成本、抗污染的綜合要求。超高速電液比例閥是采用動(dòng)圈式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為驅(qū)動(dòng)裝置的電-液信號(hào)轉(zhuǎn)換元件,控制性能很好,某些性能指標(biāo)達(dá)到甚至超過(guò)了電液伺服閥,尤其是在頻率響應(yīng)方面更優(yōu)越,可達(dá)300Hz以上。另一方面,與傳統(tǒng)伺服閥不同,其中不存在噴嘴一類的細(xì)小節(jié)流口,故抗污染能力強(qiáng),無(wú)需高成本的過(guò)濾措施,工作可靠性高。
提高電液比例閥的性能指標(biāo)如頻響、線性度和負(fù)載能力等,有助于提高電液比例控制系統(tǒng)的整體特性,這也是電液比例閥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
提高控制精度和控制速度一直以來(lái)是各行各業(yè)的敏感話題,在許多機(jī)械行業(yè)中,特別是需要高精控制場(chǎng)合中,擁有較大的市場(chǎng)前景。隨著我國(guó)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,需求量會(huì)不增加。目前,超高速電液比例閥技術(shù)在國(guó)外一些著名注塑機(jī)公司得到了應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)一般均采低速比例閥控制,效率低,精度差。因此超高速電液比例閥的研究,成為各廠家在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中是否能夠保持優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。研制性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉、能同時(shí)為生產(chǎn)廠家和用戶歡迎的超高速電液比例閥,對(duì)推動(dòng)整個(gè)液壓技術(shù)領(lǐng)域的向前發(fā)展具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
三、本課題研究?jī)?nèi)容
1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)
①熟悉電液比例減壓閥結(jié)構(gòu)和工作原理；
②根據(jù)工作原理，列出減壓閥銜鐵、閥芯的受力方程，完成靜態(tài)特性仿真曲線，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)；
③設(shè)計(jì)參數(shù)：進(jìn)口壓力4MPa，要求出口壓力0~2.5Mpa可調(diào)，流量20L/min。
2、預(yù)期提交的材料清單
①設(shè)計(jì)說(shuō)明書（包括液壓、電磁力的計(jì)算）；
②結(jié)構(gòu)原理圖；
③設(shè)計(jì)圖紙，1張A0（裝配圖），2張A2（閥芯和閥套）；
④英文翻譯。
3、進(jìn)度計(jì)劃
1—2周：完成文獻(xiàn)資料查閱（確定整體方案）；
3—10周：完成主要工作；
11—12周：寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書和答辯。
四、本課題主要特色
主要特色：電液比例減壓閥的快速性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)與液壓傳動(dòng)力量大的結(jié)合起來(lái)，能連續(xù)地、按比例地控制液壓系統(tǒng)中執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)的力、速度和方向，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，減少了元件的使用量，并能防止壓力或速度變換時(shí)的沖擊現(xiàn)象。比例閥主要用在沒(méi)有反饋的回路中，對(duì)有些場(chǎng)合，如進(jìn)行位置控制或需要提高系統(tǒng)的性能是，電液比例閥也可作為信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大元件組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
五、主要參考文獻(xiàn)
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