音圈电机驱动双先导级大流量水压比例插装阀关键技术研究

摘要

压铸是一种先进、高效的金属精密成型技术，广泛应用于机电装备、汽车及航空航天零部件的制造中，传统压铸机液压系统以矿物油作工作介质，存在油液泄漏造成污染及高温工作环境下易燃等典型问题。与之相比，由水液压驱动的压铸机具有绿色环保及安全的突出优势。压射系统是决定压铸机性能好坏的关键部分，大流量水压比例插装阀是压射系统的核心控制元件。 压铸机的压射过程具有持续时间短、压射速度快及压射压力高等特点，因此要求其核心控制元件具有大流量、快速响应能力。而水介质的汽化压力高、润滑性差及粘度低等特点，给大流量水压比例插装阀的研制及应用带来了极大的困难与挑战，主要表现在：1）如何提高大流量水压比例插装阀响应速度。大流量水压比例插装阀的主阀通径大导致运动惯性大，先导级负载大，同时主阀控制腔体积大，降低了阀的响应速度；2）如何提高大流量水压比例插装阀控制精度。水介质汽化压力高，阀口处极易产生空化，引起阀芯的振动和气蚀，此外通过阀口的大流量会使得阀芯受到的液动力大，阀口空化与液动力相互作用，非线性效应强，降低了阀控制精度。针对上述存在的技术困难，本文提出了一种音圈电机驱动双比例先导阀控制的大流量水压比例插装阀的新型结构，重点对空化作用下的阀口液动力特性进行了系统的研究，建立了大流量水压比例插装阀的数学模型，对影响阀的响应速度与控制精度的关键结构参数进行了优化，并研制了样机，其主要研究内容如下： 针对压射系统快慢压射时大小两种不同流量要求的工况特点，提出了一种双比例先导阀控制的大流量水压比例插装阀的新型结构，并进行了主阀及先导阀的结构设计，建立了主阀及先导阀动力学模型。先导阀采用了音圈电机加杠杆力放大形式的球阀结构，主阀采用通流能力强、响应快的二通插装阀结构，主阀口采用了可实现大小通流面积分段控制的非全周阀口。先导控制级为由2个先导阀所组成的液压半桥，控制主阀芯下控制腔的压力与流量，并配合所安装的主阀芯复位弹簧来共同控制主阀芯的运动，同时通过主级阀芯上的位移传感器对主阀芯进行位置闭环控制。 对空化作用下的液动力特性进行了系统的研究。采用水介质作为主相及蒸汽为第二相的汽液两相流仿真计算模型，研究了几种典型阀口形式对液动力及空化的影响机理。基于仿真结果，提出了一种以大小双U型阀口复合形成的非全周主阀口形式，并对大小双U型阀口进行阶梯形式阀口设计，以形成二级节流阀口，提高流场低压区域压力，抑制阀口空化的发生，同时还满足了主阀口对大小通流面积分段控制的需求。在确定了双U型主阀口结构的基础上，通过流场仿真研究了双U型阀口结构参数对液动力的影响，对阀口结构参数进行了优化设计，液动力减小了约10%。 基于大流量水压比例插装阀的结构特点及工作原理，建立了双先导阀液压半桥及主阀控制腔的非线性数学模型，并结合先导阀及主阀芯的动力学方程，建立了大流量水压比例插装阀的仿真模型，深入分析研究了其先导级系统压力、主阀芯控制腔直径、主阀芯质量及复位弹簧刚度对动态性能的影响，获得了其对动态性能影响的规律，对先导级系统压力及主阀芯控制腔直径等关键参数进行了优化设计。经优化后的大流量水压比例插装阀的阶跃响应性能得到了较大的提升，其中最大超调量从15%减小到6%（减小了约60%），阶跃响应的调整时间从58ms减小到了48ms（响应速度提高了约17.2%）。 完成了大流量水压比例插装阀的样机研制及试验研究，搭建了音圈电机推力特性试验台、先导阀性能试验系统及整机性能试验系统。对音圈电机的推力线性输出特性进行了试验研究，确定了音圈电机的最佳推力行程区间为4mm~15mm；先导阀及整阀样机试验研究结果表明，先导阀与主阀开启与关闭过程控制平稳无震荡，其中先导阀阶跃响应上升时间约为12~15ms，开启时的调整时间约为30ms，关闭时的调整时间约为35ms。主阀芯位移具有良好的线性度与控制精度，主阀芯的位置控制精度在2%以内，低压小流量工况时的（小于16MPa）主阀芯的阶跃响应调整时间约为60~80ms，高压大流量工况时（大于16MPa）主阀芯的阶跃响应调整时间约为90~110ms。 本文的研究成果可为大流量水压比例插装阀的研制提供理论指导，同时为全水液压驱动压铸机的研制奠定了坚实的基础。此外本文的相关研究成果还可以进一步应用在锻造机、钢厂冶金机械、煤矿液压支架等装备上。

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