节流阀4
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节流阀中国科技论文在线插装式电闭环比例节流阀的特性研究庞俊峰，权龙5（太原理工大学机械电子研究所，太原 030024）摘要：比例流量阀是电液比例控制技术的核心元件，作用是连续控制液压系统的流量。
其中，比例节流阀结构简单，成本低，动态响应快，稳定性和可靠性好，在工业生产中获得广泛应用。
对此，本文设计了一种插装式电闭环比例节流阀，介绍了结构和工作原理，并通过仿真软件simulationX对阀进行建模与仿真分析，确定了阀的主要结构参数。
仿真结果表明，这种电闭环比例节流阀具有很好的控制精度和动态响应特性。
在负载变化不大的场合中选用也比较经济合理。
关键词：比例节流阀；电闭环；特性研究中图分类号：TH137.52+21015Characteristics research of a cartridge type electricalclosed-loop proportional throttle valvePANG Junfeng, QUAN Long(Institute of Mechatronics Engineering Taiyuan University of Technology, TaiYuan 030024) Abstract: The electro-hydraulic proportional flow control valve is the core component of the proportional control technology, its role is to continuously control the flow of the hydraulic system. Among them, the proportional throttle valve structure is simple, low cost, fast dynamic response, stability and reliability，it is widely available in industrial production. Therefore, this paper presents a proportional throttle valve, the structure and working principle are introduced, and the valve through the simulation software simulationX modeling and simulation analysis to determine the parameters of the main structure of the valve. Simulation results show that the electrical closed-loop control proportional throttle valve has good accuracy and dynamic response. Little change in the load to use the occasion is relatively economical and reasonable choice.Keywords:proportional throttle valve; electrical closed-loop; characteristics research20250 引言30插装式电闭环比例节流阀是盖板式插装阀技术与比例控制技术相结合的电液比例液压元件，通常用于液压回路的流量控制和执行机构的速度控制，是大流量电液控制系统中的重要元件。
比例调速阀的流量稳定性要优于比例节流阀。
但是当前的比例调速阀，一是压差补偿型，这种阀控制流量小，精度低，在启动和负载阶跃时产生很大的流量超调。
二是流量反馈型，35这种阀尺寸大，结构复杂，价格昂贵。
比例调速阀受恒定压差的限制，最大输出流量就是额定流量。
而比例节流阀在较大的压差下，可通过几倍于额定流量的液流。
此外，比例节流阀结构简单，成本低，动态响应快，稳定性和可靠性好。
对于空载时要求快速，重载时要求低速的系统，使用比例节流阀可减小其规格，有其独特的优点。
当系统本身含速度或位置闭环反馈控制，且负载变化不大的场合选用比例节流阀，也比较经济，合理[1-2]。
所以，研究比40例节流阀具有很重要的意义。
阀芯位移开环控制的比例节流阀结构简单，成本低廉，抗干扰能力差，只适用于低压小流量的系统。
采用主阀芯位置闭环可提高控制精度，其中力反馈闭环无法抑制比例放大器的非线性，比例电磁铁的磁滞效应，先导级的液动力、摩擦力等的干扰，滞环特性在3%左右作者简介：庞俊峰，（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向：机械电子工程通信联系人：权龙，男，教授，主要研究方向：机电液控制工程. E-mail: quanlong@中国科技论文在线[3]。
为了进一步提高阀的稳态控制精度和动态响应特性，且应用于高压大流量系统，现设计45 一种插装式电闭环比例节流阀，采用电反馈闭环原理，电反馈闭环范围大，抑制的干扰因素更多，可抑制除负载压力变化外的一切干扰，具有很好的控制精度和动态响应特性。
且反馈增益调节方便，可采用PID来改善其稳动态特性。
在结构上电反馈阀也比力反馈阀要简单。
在先导级和主级之间加入适当的固定液阻，可进一步提高阀的稳定性。
控制油引方便，先导油液通至主阀出口，无先导油液流量损失。
当先导阀关闭时，如果出口压力超过进口压力，50 主阀芯允许反向流动，此时具有单向阀的功能。
1 工作原理电闭环比例节流阀，由先导阀、主阀、位移传感器、比例放大器等组成。
工作原理如图1所示。
55图1 工作原理图Fig. 1 Working principle diagram当阀没有电信号输入时，先导阀芯在先导阀弹簧力的作用下使先导阀口关闭，先导阀口为负开口，此时没有油液通过先导阀。
主阀进油腔的油液通过开在主阀芯上的阻尼孔到达并60充满控制腔，两腔压力相等，由于主阀复位弹簧力和主阀芯上下面积差的原因，主阀口处于关闭状态。
当输入一设定的电信号ui时，比例电磁铁输出相应的电磁力，克服先导阀弹簧力，推动先导阀芯移动y，先导阀口打开，先导油液通过先导阀口流至主阀出口。
此时主阀控制腔压力低于进油腔的压力，在上下压差作用下，主阀口开启，主阀芯有一位移x。
先导阀芯所65受弹簧力和电磁力相平衡，稳定在某一平衡点上，使输出主阀位移x与输入电信号ui成比例。
将位移传感器同轴设置在主阀芯上以检测主阀芯的位移，并转换成电信号uf，与设定值ui相比较，构成位移—电反馈闭环。
可以消除液动力及摩擦力等外力的干扰，从而精确地控制主阀芯的位移，使之与输入电信号成比例。
在比例放大器前加一PID控制器,可进一步提70高阀的静动态特性。
控制原理如图2所示。
电反馈型比其他反馈形式具有更大的结构柔性和校正上的便利。
比例放大器和比例电磁铁的非线性，先导阀和主阀所受的液动力，摩擦力等的干扰，均由电反馈闭环所抑制。
可获得令人满意的控制精度和动态性能。
75图2 控制原理图Fig. 2 Control principle diagram2 结构设计电闭环比例节流阀的结构，由先导部分，主阀芯阀套，控制盖板，检测元件，控制器等80组成。
由于直动式阀的输出功率要受到比例电磁铁的限制。
在工程应用中，比例节流阀在大于10通径时一般采用先导式。
先导式比例节流阀内含液压放大单元，反馈信号直接取自功率级，可以实现对高压大流量液流的控制。
主级采用16通径的二通插装阀，通流量大、动态响应快、标准化程度高，是按标准配置插孔尺寸的插装组件[4]。
85先导控制阀为单控制边滑阀，虽然双控制边滑阀性能更好，但两个阀口都需要修磨，加工及调试的成本高。
而且A型液压半桥的压力增益较高，会影响到阀的稳定性。
所以先导液桥选用B型液压半桥。
主阀芯带有位移传感器，以形成电反馈闭环控制。
阀的结构原理如图3所示。
901.阀套2.阻尼孔3.阀芯4.复位弹簧5.盖板6.位移传感器7. 比例放大器8.比例电磁铁9.先导阀图3 结构原理图 Fig. 3 Structure diagram3 建模，仿真及特性分析95为了比较精确地分析该阀的特性，采用仿真软件simulationX建立电闭环比例节流阀的仿真模型[5-7]，可从元件库中直接选取所需元件搭建模型。
根据上述工作原理，所建立的仿真模型如图4所示。
仿真模型基本参数如表1所示。
100图4 仿真模型 Fig. 4 Simulation Model表1 仿真计算基本参数Tab. 1 Basic parameters of simulation名称设定值主阀进油腔活塞直径 DA=16mm 主阀控制腔活塞直径主阀芯面积比主阀芯长度主阀芯阻尼孔直径主阀复位弹簧刚度主阀弹簧预压缩量先导阀负开口量先导阀弹簧刚度先导阀弹簧预压缩量先导阀面积增益先导阀芯直径比例电磁铁最大行程 PID控制器参数比例系数 PID控制器参数积分系数 PID 控制器参数微分系数主阀芯质量先导阀芯质量DC=23mm AA:AC=1:2 L=54mm d=0.8mmK=10N/mm X0=5mmyi=0.5mmK=28.5N/mm y0=0mmWy=2mmD=10mmH=3.5mmKp=30Ti=0.157 Td=0m1=0.1Kg m2=0.05Kg105初步确定好电闭环比例节流阀的各项参数后，针对以上数据进行仿真，通过对阀的稳态控制特性、稳态负载特性和电压阶跃响应特性的仿真结果进行分析，来研究阀的静动态特性。
3.1 稳态控制特性仿真分析在系统压力为16 MPa下得到的稳态控制特性曲线如图5所示。
从图中可看出，系统的最大流量达到180L/min左右，基本可以满足系统最大流量的要求。
110图5 稳态控制特性仿真曲线Fig. 5 Static control characteristic simulation curve在图中电压起始段，主阀芯位移和通过主阀流量为0，这是因为阀具有死区行程。
阀的115死区行程由阀所受摩擦力和先导阀负开口量决定的，仿真中只考虑了后者。
在实际应用中，死区行程可能要更大一些。
仿真模型中没有考虑摩擦力，比例电磁铁磁滞效应，所以无法得出阀的滞环特性。
3.2 稳态负载特性仿真分析在系统压力为26 MPa下得到的稳态负载特性曲线如图6所示。
仿真时，先分别给定控120制电压信号为1V、3V、5V、7V、9V(分别对应主阀芯开口为10%、30%、50%、70%、90%)。
再通过改变加载节流阀的开口量来改变阀的出口压力，调整加载阀的开口量由小到大，使出口压力由大到小。
