電液伺服技術(shù)在蝶閥上的應用

　　將電液伺服技術(shù)應用于蝶閥蝶板的高精度控制，給出高精度電液伺服控制蝶閥的結構，利用AMESim軟件建立仿真模型，探討各主要結構參數對其動(dòng)靜態(tài)特性的影響，并進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)試驗。理論分析和試驗結果表明：電液伺服控制蝶閥精度高、線(xiàn)性度好、滯回小、頻響可根據工程實(shí)際進(jìn)行設定，調整方便。目前，該蝶閥已在工程中應用。除蝶閥外，電液伺服技術(shù)也可用于球閥等閥門(mén)的高精度流量控制。

　　蝶閥由于其結構緊湊、啟閉迅速、流阻小、流量系數大，容易實(shí)現大口徑、大流量的流體輸送等特點(diǎn)，廣泛應用于煉鋼、電力、水利、化工等領(lǐng)域。目前，蝶閥主要應用于啟閉控制，隨著(zhù)生產(chǎn)過(guò)程精度控制要求越來(lái)越高，還要求通過(guò)控制蝶閥蝶板的轉動(dòng)角度來(lái)控制輸送的流量。隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展和電液伺服技術(shù)的廣泛應用，高精度流量控制的蝶閥成為一種可能。

　　基于電液伺服技術(shù)響應快、精度高、體積小、輸出力矩大等特點(diǎn)，作者提出了一種電液伺服控制蝶閥的結構，并根據其結構建立了AMESim仿真模型，對其動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，探討系統各主要參數對動(dòng)靜態(tài)特性的影響，并進(jìn)行試驗驗證。

1、工作原理

　　圖1為電液伺服控制蝶閥系統結構圖，考慮到蝶閥控制所需油液很少，不必單獨增設液壓源，壓力油可直接從主液壓系統引入，并利用單向閥、蓄能器、減壓閥等元件，可減少主液壓系統壓力波動(dòng)對電液伺服控制蝶閥系統的性能影響。主系統油泵9經(jīng)減壓閥7將液壓油減壓輸送至伺服閥5，在輸入信號作用下，伺服閥5的閥芯移動(dòng)，高壓油進(jìn)入液壓缸4的一端，另一端通過(guò)伺服閥接回油，在壓差的作用下，使液壓缸活塞運動(dòng)，并通過(guò)銷(xiāo)與撥叉3，驅動(dòng)蝶閥閥桿轉動(dòng)，使蝶板2轉動(dòng)。蝶板的轉角由角度傳感器1檢測并反饋回輸入端，與輸入信號相比較得出誤差信號，經(jīng)放大器放大后輸入伺服閥5，使蝶板的轉動(dòng)角度與輸入角度相吻合。

圖1 電液伺服控制蝶閥系統結構圖

2、建模與分析

　　為了更準確地反映系統的運動(dòng)規律，利用AMESim軟件，建立了如圖2所示的液壓系統仿真模型。

圖2 仿真模型

　　當對仿真模型輸入階躍信號時(shí)，角度傳感器的輸出響應曲線(xiàn)如圖3所示�？梢�(jiàn)：當階躍信號為4～20mA時(shí)，蝶閥蝶板實(shí)現了0°～90°的轉動(dòng)，開(kāi)啟響應時(shí)間約0.92s，關(guān)閉響應時(shí)間約0.97s。

圖3 階躍特性的仿真曲線(xiàn)

3、仿真分析

　　系統的主要仿真參數有：減壓閥調定壓力、系統壓力、增益K、液壓缸活塞油壓作用面積、模擬負載扭矩等�；�于建立的仿真模型，探討各主要參數對動(dòng)態(tài)特性的影響，從而進(jìn)行優(yōu)化設計。改變上述參數，對動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，仿真結果表明：

　　(1)如圖4所示，隨著(zhù)減壓閥3調定壓力的增大，階躍響應時(shí)間逐漸縮短。當減壓閥調定壓力過(guò)低時(shí)，系統無(wú)法將蝶閥開(kāi)啟;而當減壓閥調定壓力過(guò)高時(shí)，蝶板則轉動(dòng)太快。因此，應根據應用場(chǎng)合選擇合適的減壓閥調定壓力，該系統減壓閥調定壓力范圍為6～15MPa。

圖4 減壓閥調定壓力的影響

　　(2)通過(guò)調整仿真模型中溢流閥6的壓力，模擬主系統油源壓力波動(dòng)，系統壓力對響應的影響如圖5所示�？梢�(jiàn)：3條反饋電流信號曲線(xiàn)基本重合，即由于系統采用了單向閥、蓄能器、減壓閥等元件，使減壓閥出口壓力保持不變，蝶板的角度控制特性不受系統壓力變化的影響。

圖5 系統壓力的影響

　　(3)如圖6所示，蝶板轉動(dòng)的階躍響應時(shí)間隨放大器增益K的增大而縮短。K值太小，響應過(guò)慢;而K值太大，則蝶板轉動(dòng)太快。當減壓閥調定壓力為15MPa時(shí)，增益K取0.8～3，開(kāi)啟響應時(shí)間約1.27～0.51s，關(guān)閉響應時(shí)間約1.12～0.49s。

圖6 增益的影響

　　(4)液壓缸活塞油壓作用面積對蝶板響應特性的影響如圖7所示�？梢�(jiàn)：曲線(xiàn)2的作用面積過(guò)小，產(chǎn)生的力不足以推動(dòng)閥門(mén)啟閉，而曲線(xiàn)4的作用面積過(guò)大，在流量相同的情況下，運動(dòng)速度相對較慢，響應時(shí)間較長(cháng)。因此，該系統中選用活塞直徑40mm。

圖7 液壓缸活塞油壓作用面積的影響

　　(5)如圖8所示，隨著(zhù)模擬負載扭矩的增大，階躍響應速度減慢，當負載扭矩增大到一定值后，蝶板將無(wú)法開(kāi)啟。該系統中模擬負載扭矩取200N·m。

圖8 模擬負載的影響

4、試驗分析

　　在上述仿真分析的基礎上，搭建試驗系統對電液伺服控制蝶閥液壓系統進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)試驗驗證。試驗系統原理如圖9所示，信號發(fā)生器發(fā)送階躍或正弦信號，經(jīng)直流電源偏置后，由采樣電阻采樣并輸送至示波器讀出;驅動(dòng)電流與反饋電流比較后，經(jīng)伺服放大器放大輸入伺服閥;伺服閥驅動(dòng)液壓缸使撥叉轉動(dòng)，撥叉帶動(dòng)蝶閥蝶板轉動(dòng)，轉動(dòng)角度由角度傳感器測量并反饋，經(jīng)采樣電阻采樣后由示波器讀出。

圖9 試驗系統原理圖

　　減壓閥調定壓力為15MPa時(shí)的電流—蝶板轉角靜態(tài)特性試驗與仿真曲線(xiàn)如圖10所示。3條曲線(xiàn)(仿真曲線(xiàn)、蝶板轉角上升曲線(xiàn)、蝶板轉角下降曲線(xiàn))基本重合，說(shuō)明蝶閥蝶板的轉動(dòng)與驅動(dòng)電流呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，且滯回很小，并驗證了仿真模型。

圖10 靜態(tài)特性的試驗與仿真曲線(xiàn)

　　圖11所示為減壓閥設定壓力為15MPa時(shí)，示波器記錄的階躍響應曲線(xiàn)�？梢�(jiàn)，蝶閥蝶板開(kāi)啟時(shí)間為1s，關(guān)閉時(shí)間為1.2s。

　　減壓閥設定壓力為15MPa時(shí)，蝶閥蝶板轉動(dòng)頻響試驗結果為0.94Hz(頻響的仿真結果為0.95Hz)，如圖12所示，試驗結果與仿真結果基本吻合。

圖11 階躍特性的試驗曲線(xiàn)

圖12 幅頻特性的試驗與仿真曲線(xiàn)

5、結束語(yǔ)

　　理論分析與試驗結果表明：將電液伺服技術(shù)應用于蝶閥流量高精度控制是可行的。除蝶閥外，也可應用于球閥等閥門(mén)。目前，該蝶閥已成功應用于鋼廠(chǎng)熱軋系統中。