超高速电液比例阀分析

超高速电液比例阀分析

杨发

辽宁红沿河核电有限公司，辽宁 大连 116302

摘要：传统的电液比例阀是以比例电磁铁作为驱动装置的电—液信号转换元件，由于其固有特性的限制，使电液比例阀无论是响应时间还是响应速度都不是很快，而响应速度较快的流量却比较小。随着我国的不断发展，提出了一种超高速电液比例阀。超高速电液比例阀能够控制液压控制系统液流方向和流量，满足电液比例控制系统高速、高精度、大流量、低成本和防污染的综合要求。因此，本文主要分析了超高速电液比例阀的结构与原理，超高速电液比例阀的特点以及超高速电液比例阀的力特性分析。

关键词：超高速；电液比例阀；分析

引言：

超高速电液比例阀是电液比例控制系统的核心和主功率放大元件。它采用模拟式电气-机械转换装置，将电信号转换为位移信号，根据输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。与电液伺服阀相比，超高速电液比例阀虽然性能在某些方面还有一定的差距，但其显著的优点是具有较强的抗污染能力，减少了污染而引起的工作故障，提高了液压系统的工作稳定性和可靠性，更适合于工业过程。同时更易操作和维护，已得到广泛应用。

一、超高速电液比例阀的结构与原理

超高速电液比例直动式先导阀可单独使用于小流量控制环境，而直动式先导阀、叠加式单向节流阀和主控阀三者组合可为液压控制系统提供较大的控制流量。超高速比例阀在结构设计上，为了防止预期系统压力的较大波动，在直动式先导阀与主控阀之间装有两个叠加式单向节流阀，用来调节超高速电液比例阀入口或者出口的压力，改善其动态性能。

对于小流量的电液比例控制环境，可仅采用超高速电液比例直动式先导阀控制。由于直动式先导阀运动部件惯性小，因此其响应速度较高，达到350Hz以上。同时，因为先导阀阀芯开口度较小，使得其输出流量较小，在40L/min左右。

另外，对于需要大流量控制的液压环境，一般需要采用超高速电液比例直动式先导阀作先导控制，利用先导输出油液压力推动主控阀阀芯运动，从而打开阀口，输出流量。由于采用先导控制，运动部件较多，因此其响应速度一般不高，接近100Hz。但由于主控阀阀口开度较大，使得该液压控制阀输出流量较大，超过300L/min。

二、超高速电液比例阀的特点

超高速电液比例阀采用动圈式电-机械转换器作为驱动装置，阀芯位置电反馈，控制性能很好，某些性能指标达到甚至还超过了电液伺服阀，在其他性能上也优于常规电液比例阀。另一方面，与传统电液伺服阀不同，其中不存在喷嘴一类的细小节流口，因此抗污染能力强，无需高成本的过滤措施，工作可靠性高。

目前，超高速电液比例阀技术在国外一些著名注塑机公司得到了广泛应用。而国内一般均采低速电液比例阀控制，效率低，精度差。因此，超高速电液比例阀的研究，成为各厂家在日益激烈的市场竞争中是否能够保持优势的关键。研制性能优良、结构简单、工作可靠、成本低廉、能同时为生产厂家和用户欢迎的超高速电液比例阀，对推动整个液压技术领域的发展也具有重要的理论意义和实用价值。

三、超高速电液比例阀的力特性分析

对超高速电液比例阀的特性分析，主要从其力特性分析入手，研究比例阀的动静态性能。作用在阀芯上的力有驱动力、液动力、摩擦力、卡紧力、惯性力和弹簧力等。驱动力用于推动阀芯的运动，由动圈式电-机械转换器提供。摩擦力主要是粘性摩擦力，液动力又分稳态液动力和瞬态液动力。

（一）阀芯驱动力

超高速电液比例阀芯由动圈式电-机械转换器直接驱动，与喷嘴挡板型电液伺服阀相比具有良好的耐污性。动圈式电-机械转换器根据载流线圈（动圈）在均匀磁场中受力原理而设计，其以较高的精度和响应速度、高线性、小滞环受到广泛关注，它可以产生同尺寸电磁阀2.5倍的电磁力。

（二）液动力

超高速电液比例阀芯受到的液动力包括稳态液动力和瞬态液动力。稳态液动力指阀口处于稳定开口时，因流入（或流出）阀口液流流速的大小或方向变化而作用在阀芯上的反作用力；瞬态液动力是指阀口开（闭）过程中，流量发生变化时，液流作用于阀芯上的力，即使阀杆腔内的液体加（减）速的惯性反力。

（三）液压卡紧力

对比例阀而言，节流口的节流作用使得阀内油液温度升高较快。阀芯受热膨胀使阀芯与阀套间配合间隙减小，使得阀芯可能被卡死在阀套里，导致比例阀不能正常工作。不同径向间隙下，阀芯与阀套间的配合间隙温度分布曲线也不同，径向间隙对温度分布影响较大，但对最高温度影响不大。

由此可知，阀芯与阀套间的双边配合间隙有一定的要求。间隙过小会使得阀芯动作不灵活，油温升高后导致阀芯卡死；间隙过大则泄漏量增加，因此，一般选用较大的双边配合间隙。

液体在先导阀阀芯与先导阀阀套之间的配合间隙中流动，当阀芯或阀套具有锥度、不同心，以及先导阀阀芯凸台肩在阀套中存在歪斜等情况下，会造成凸台肩间隙中的油压沿径向分布不均匀，从而产生相当大的侧压力。该侧压力将先导阀阀芯向偏心侧推，从而使其紧压在先导阀阀体上，对先导阀阀芯的移动产生一个附加阻力，大大增加了先导阀阀芯运动的摩擦阻力，严重时先导阀阀芯会卡住不动，此现象称为液压卡紧现象。常把将先导阀阀芯紧压在先导阀阀体上的径向液压力称为液压卡紧力，由此所造成先导阀阀芯移动时的附加阻力称为液压卡紧阻力。

（四）惯性力

对于高频电液比例阀而言，由于阀芯腔室和端面管道中油液的惯性作用，使得阀芯受到的惯性力相当大，所以应当着重考虑。

（五）粘性摩擦力

粘性摩擦力主要由油液的粘性造成，其存在有助于超高速电液比例阀阀芯的稳定，但也阻碍了阀芯的运动。

（六）弹簧力

弹簧是电液比例阀中的重要元件，主要功能是复位。在先导阀右端盖处装有复位弹簧，用于在控制信号为零时，使先导阀阀芯复位。由于先导阀阀芯通过动圈式电-机械转换器驱动，且由位移传感器检测位置误差，因此理论上，其位置可以精确定位（包括阀芯中位时），弹簧仅起辅助复位作用。先导阀弹簧刚度很小，甚至可以去掉。

先导阀的弹簧设计要考虑到预紧力的大小、自由长度、外径、簧丝直径、液动力和摩擦力等因素的匹配。弹簧的好坏也直接影响到比例阀工作时的线性度、稳态特性和开关特性等性能的好坏。弹簧设计的难题主要表现为弹簧的极限力难以确定，极限力过大和过小都不能使比例阀达到预定的要求和最优的性能，所以，弹簧的设计是整个比例阀设计的核心环节。

结语：

由此可见，随着我国的不断发展，超高速电液比例阀的研究是一项前沿性的科研工作，正如文中所述，它有着重要的控制需求和广泛的应用前景。同时，研究工作也有相当的难度，极具挑战性。并且，超高速电液比例阀的研究和分析可以从根本上解决我国电液比例阀技术水平低下，产品档次低和缺乏竞争力的不利局面，对推动整个液压技术领域的发展具有重要的理论意义和实用价值。因此，我们要大力发展超高速电液比例阀。

参考文献：

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