电液伺服技术在蝶阀上的应用

2013-10-17 笪靖浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室

　　将电液伺服技术应用于蝶阀蝶板的高精度控制，给出高精度电液伺服控制蝶阀的结构，利用AMESim软件建立仿真模型，探讨各主要结构参数对其动静态特性的影响，并进行动静态试验。理论分析和试验结果表明：电液伺服控制蝶阀精度高、线性度好、滞回小、频响可根据工程实际进行设定，调整方便。目前，该蝶阀已在工程中应用。除蝶阀外，电液伺服技术也可用于球阀等阀门的高精度流量控制。

　　蝶阀由于其结构紧凑、启闭迅速、流阻小、流量系数大，容易实现大口径、大流量的流体输送等特点，广泛应用于炼钢、电力、水利、化工等领域。目前，蝶阀主要应用于启闭控制，随着生产过程精度控制要求越来越高，还要求通过控制蝶阀蝶板的转动角度来控制输送的流量。随着计算机技术的发展和电液伺服技术的广泛应用，高精度流量控制的蝶阀成为一种可能。

　　基于电液伺服技术响应快、精度高、体积小、输出力矩大等特点，作者提出了一种电液伺服控制蝶阀的结构，并根据其结构建立了AMESim仿真模型，对其动静态特性进行仿真分析，探讨系统各主要参数对动静态特性的影响，并进行试验验证。

1、工作原理

　　图1为电液伺服控制蝶阀系统结构图，考虑到蝶阀控制所需油液很少，不必单独增设液压源，压力油可直接从主液压系统引入，并利用单向阀、蓄能器、减压阀等元件，可减少主液压系统压力波动对电液伺服控制蝶阀系统的性能影响。主系统油泵9经减压阀7将液压油减压输送至伺服阀5，在输入信号作用下，伺服阀5的阀芯移动，高压油进入液压缸4的一端，另一端通过伺服阀接回油，在压差的作用下，使液压缸活塞运动，并通过销与拨叉3，驱动蝶阀阀杆转动，使蝶板2转动。蝶板的转角由角度传感器1检测并反馈回输入端，与输入信号相比较得出误差信号，经放大器放大后输入伺服阀5，使蝶板的转动角度与输入角度相吻合。

图1 电液伺服控制蝶阀系统结构图

2、建模与分析

　　为了更准确地反映系统的运动规律，利用AMESim软件，建立了如图2所示的液压系统仿真模型。

图2 仿真模型

　　当对仿真模型输入阶跃信号时，角度传感器的输出响应曲线如图3所示。可见：当阶跃信号为4～20mA时，蝶阀蝶板实现了0°～90°的转动，开启响应时间约0.92s，关闭响应时间约0.97s。

图3 阶跃特性的仿真曲线

3、仿真分析

　　系统的主要仿真参数有：减压阀调定压力、系统压力、增益K、液压缸活塞油压作用面积、模拟负载扭矩等。基于建立的仿真模型，探讨各主要参数对动态特性的影响，从而进行优化设计。改变上述参数，对动态特性进行仿真分析，仿真结果表明：

　　(1)如图4所示，随着减压阀3调定压力的增大，阶跃响应时间逐渐缩短。当减压阀调定压力过低时，系统无法将蝶阀开启;而当减压阀调定压力过高时，蝶板则转动太快。因此，应根据应用场合选择合适的减压阀调定压力，该系统减压阀调定压力范围为6～15MPa。

图4 减压阀调定压力的影响

　　(2)通过调整仿真模型中溢流阀6的压力，模拟主系统油源压力波动，系统压力对响应的影响如图5所示。可见：3条反馈电流信号曲线基本重合，即由于系统采用了单向阀、蓄能器、减压阀等元件，使减压阀出口压力保持不变，蝶板的角度控制特性不受系统压力变化的影响。

图5 系统压力的影响

　　(3)如图6所示，蝶板转动的阶跃响应时间随放大器增益K的增大而缩短。K值太小，响应过慢;而K值太大，则蝶板转动太快。当减压阀调定压力为15MPa时，增益K取0.8～3，开启响应时间约1.27～0.51s，关闭响应时间约1.12～0.49s。

图6 增益的影响

　　(4)液压缸活塞油压作用面积对蝶板响应特性的影响如图7所示。可见：曲线2的作用面积过小，产生的力不足以推动阀门启闭，而曲线4的作用面积过大，在流量相同的情况下，运动速度相对较慢，响应时间较长。因此，该系统中选用活塞直径40mm。

图7 液压缸活塞油压作用面积的影响

　　(5)如图8所示，随着模拟负载扭矩的增大，阶跃响应速度减慢，当负载扭矩增大到一定值后，蝶板将无法开启。该系统中模拟负载扭矩取200N·m。

图8 模拟负载的影响

4、试验分析

　　在上述仿真分析的基础上，搭建试验系统对电液伺服控制蝶阀液压系统进行了动静态试验验证。试验系统原理如图9所示，信号发生器发送阶跃或正弦信号，经直流电源偏置后，由采样电阻采样并输送至示波器读出;驱动电流与反馈电流比较后，经伺服放大器放大输入伺服阀;伺服阀驱动液压缸使拨叉转动，拨叉带动蝶阀蝶板转动，转动角度由角度传感器测量并反馈，经采样电阻采样后由示波器读出。