关于Parker公司TEA型电液比例节流阀在压铸机的使用

关于TEA系列电液比例节流阀的使用一、技术背景目前国内压铸机的压射控制系统广泛使用了Parker公司TEA系列电液比例节流阀，其液压原理图均采用了Parker公司的产品样本说明书第5-19页（样本号HY11-2500/CH）推荐的液压回路图，电液比例节流阀被设置在蓄能器出油口和压射缸无杆腔进油口之间，属于进油节流调速回路，如图1所示。

图1压射缸在执行快速前进（快速压射）时，指令信号把比例节流阀（快压射阀）打开，蓄能器提供的压力油源，经比例节流阀进入压射缸无杆腔，推动压射活塞快速前进。

快压射速度主要由蓄能器压力、比例节流阀的开口度和负载大小决定。

通常，改变比例节流阀的指令信号的大小，可实现调节比例节流阀的开口大小，达到调节压射速度的目的。

二、阀的工作原理简介Parker公司的TEA系列电液比例节流阀的结构原理如图2所示，它采用三级放大的位移-力反馈结构，以及主阀采用二通插装阀，先导级采用由高响应的比例电磁铁驱动的三位四通阀，先导阀芯通过反馈弹簧作用在一个伺服活塞杆（放大级）上，活塞杆的另一端作用在主阀芯（主级）上，此外，在先导回路上集成了一只两位四通换向阀，这是为了满足蓄能器放油回路的安全规范要求，起安全保护作用，故该两位四通换向阀也称使能阀。

所述电液比例阀工作时有三种状态：1、开启状态；2、关闭状态；3、失能状态。

以下分别叙述。

图2开启状态：在两位四通换向阀电磁铁得电（使能状态），两位四通阀处于截止位，当三位四通阀的比例电磁铁输入一个足够大（＞30%标准电流）的电信号时，首先先导阀芯在电磁力作用下迅速向下移动，使三位四通阀处于上方位导通状态，X口的控制压力油经先导换向阀进入2腔，而1腔中的油液则经先导阀回到泄油口Y。

由于2腔压力增大，1腔压力减小，伺服活塞在油液压力的作用下向上移动，压缩反馈弹簧，直到弹簧压缩产生的弹力与比例阀电磁铁的电磁推力相等时，先导阀芯在反馈弹簧的作用下行至零位（中位）。

此时，伺服活塞杆向上移动的位移与弹簧的压缩变化量相等，伺服活塞杆在此位置停留和静止。

由于伺服活塞杆向上移动，C腔到A口的油路被打开，在固定液阻R 的阻尼作用下，从B口进入C腔的油液流量小于从C腔流向A口的流量，C腔油压迅速降低，主阀芯在B口油压作用下向上移动，主阀芯打开。

主阀芯向上移动，跟踪伺服活塞杆下端，直到将A口与C腔的油路接近关闭。

活塞杆下端和主阀芯的先导阀座口之间（即主阀芯的C腔与A口之间）的油口实际上构成了一个可变液阻R1，它与固定液阻R构成一个B型先导液压半桥，见半桥示意图3。

当可变液阻R1变化到一个合适的值时，作用在主阀芯上C腔压力P3、油口B压力P1和油口A压力P2的合作用力达到平衡，流入固定液阻R的流量和流出可变液阻R1流量也平衡，主阀芯在此平衡位置浮动。

因此，整个过程中主阀芯的位置实际上是跟踪伺服活塞杆移动的，而伺服活塞杆的位移又由比例电磁铁的输出力决定，所以主阀芯的位移实际上也就是由比例电磁铁的电磁力决定。

图3关闭状态：在两位四通换向阀电磁铁得电（使能状态），两位四通阀处于截止位，当三位四通阀的比例电磁铁无输入信号时，先导阀芯在反馈弹簧作用下，处于下方位置。

控制口X 的压力油经先导阀进入到伺服活塞杆1腔内，伺服活塞杆2腔的压力油经先导阀流到泄油口Y卸荷。

伺服活塞杆在液压力作用下向下方极限位置移动，将主阀芯中C腔到A 口的油路关闭，即：关闭了先导液桥的可变液阻R1，B口的压力油经过固定液阻R进入C腔。

由于主阀芯上腔C的压力增大，主阀芯关闭。

也就是说，在比例电磁铁没有信号输入时，该阀处于关闭状态。

失能状态：当两位四通换向阀失电（失能状态）时，其阀芯处于弹簧推置的终端位置，两位四通阀处于导通状态，此时来自X油口的控制压力油经两位四通阀引导至伺服活塞的弹簧腔1，并使伺服活塞的有杆腔2的油液经两位四通阀流向泄油口Y。

由于两位四通阀的流量比三位四通型先导阀比例阀要大的多，此时无论三位四通阀处于那种状态，伺服活塞杆都会在油液的压力作用下被压在下方极限位置。

由于伺服活塞杆关闭了先导液桥的可变液阻R1，主阀芯在液压力的作用下也处于关闭状态。

也就是说，在两位四通换向阀失电时，无论比例电磁铁输入多大的指令信号，该阀都能可靠的关闭，起安全保护作用。

三、在压铸机上的使用情况为了便于说明问题，先介绍一下压射曲线图。

在压铸机的三曲线显示系统中，快速压射信号发令的那一刻为三曲线显示的起始时间，信号由编码器和压力传感器获得，编码器记录行程及速度，压力传感器测量压力；在测量开始后，曲线仪每隔一段时间（采样时间），测出每一刻的行程、速度和压力，整个压射过程会被完整的纪录下来。

然后以时间为横坐标（X轴），纵坐标（Y轴）上有三个参数，那就是：行程、速度和压力，它们以不同的颜色在显示屏上描绘出这些点，就获得了下述三条压射曲线。

黄色曲线——速度曲线当压射缸开始动作后，它在低速(慢速压射)阀控制下，慢速前进，走到规定的位置时,高速(快速压射)阀开启，速度会快速上升，在很短的时间内上升到最大值。

当铝熔料填充满模具型腔后，压射缸又会急速停下来，直至速度为零。

绿色曲线——压力曲线在填充过程中，压射压力也会因填充产生阻力而增加，当压射压力增加到设定值（或设定位置）时，控制系统会打开增压阀，压射压力在增压器作用下，在很短的时间内上升至增压压力。

白色曲线——行程曲线记录压射过程中行程和时间的关系，包括实际高速起动位置以及停止位置。

上述压射曲线图是分析TEA系列电液比例节流阀在压射过程中的实际工作状态和性能特点的良好工具。

液压调速回路中，节流阀用于二次回路压力低于一次回路压力的场合，这里一次回路是指节流阀进油口之前的主油路，二次回路是指节流阀出油口之后的主油路。

在进油调速的压射控制回路中，上述一次回路是指蓄能器储油腔及管路，二次回路是指压射缸的无杆腔及管路；压铸机的压射曲线图，记录的压射缸活塞的位置、速度和压力三曲线，实际也是节流阀二次回路的容积、流量和压力三曲线。

下面以四幅TEA系列电液比例节流阀在快压射过程中曲线图来描述它的一些特性：1、双峰形的速度（流量）曲线：图4是在650吨压铸机压铸110型摩托车发动机左箱体时拍摄的，其快压射启动位置是用“快压射启动点工艺试验法”确定的，快压射速度是以铸件充形完整和内浇道表面不发生铝料粘接为条件，快压射行程180mm，电液比例节流阀的工作电流设为65%。

图4曲线图4显示了在快压射时TEA系列电液比例节流阀二次回路产生的流量、压力振荡现象，对于图4所示速度、压力曲线波形的有必要加以探讨。

以曲线波形上各点的横坐标的区间分别叙述。

（1）在0至A区间（50ms）：0点为压射缸编码器高速信号发令点，0至A之间的延迟时间是由PLC的扫描时间等固有特性造成的响应滞后时间，A点为压射缸实际执行高速起点，亦视为电液比例节流阀主阀芯开启的起点。

（2）在A至F点区间（15ms）：两位四通电磁阀和三位四通阀比例阀得电，三位四通比例阀处于上位，伺服活塞开始向上移动，主阀芯跟随伺服活塞杆部分开启（样本说明书介绍：电液比例节流阀的B→A口的压差Δp=1MPa时，其开启的阶跃响应时间为50ms），一次回路的压力大于二次回路的负载压力，二次回路进油，压射活塞开始加速，由于压射活塞的惯性力（F=ma）和金属熔料在内浇口处的流动阻力突增，使负载压力飞升（飞升时间15 ms）；此区间内，进入二次回路腔内的油液流量，主要用于补充油液的压缩（二次回路的液容充液），造成腔中压力峰，直至推动压射活塞产生加速运动，另一个部分用于填充压射活塞的小量位移所需的容积（即二次回路进油的容积增量）。

（3）在F至B点区间（15ms）：电液比例节流阀的伺服活塞继续向上移动，主阀芯继续跟随伺服活塞杆向上移动，直到停留在伺服活塞杆所停留位置附近，主阀芯开启至最大，二次回路大量进油，由于负载是基本不变的，所以进油流量全部用来填充压射活塞的位移所需的容积，形成活塞的速度阶跃，产生速度峰；同时，二次回路的压力从峰值F点开始下降，腔中的压降造成油液膨胀（二次回路的液容放液），使活塞进一步加速。

（4）在B至C点区间（25ms）：快压射速度较上述峰值下降约58%，同时，压力也下降约58%（如：G点压力），换句话描述这种工况，在负载压力减小时，二次回路的流量不仅不增大，反而是下降。

上述情况让人难以理解，因为经过节流口的流量公式为：Q=C*A（s）*{2（P1-P2）/ρ}1/2 = C*（2/ρ）1/2*A（s）*（ΔP）1/2（1）式中：Q——经过节流口的流量；C——节流口的流量系数，常数；A（s）——节流口的通流面积，它是阀芯位移量s的函数；P1——节流口的进口压力，本例可视为常数；P2——节流口的出口压力，等于负载压力；ΔP——节流口的压差，ΔP= P1-P2；ρ——油液的密度，取870g/L；就比例节流阀而言，其受控输出参数是主阀芯位移s，要求s在预定位置保持稳定不变，即：A（s）为常数。

因此，按照公式（1），Q减小是因为ΔP减小，当P1不变时，P2要增大，这段话的等效语是：负载压力P2增大可使节流阀流量Q减小，这符合人们熟知的常规。

但是，这不符合上述（3）、（4）两区间曲线波形检测的情况：P2减小（或ΔP增大）也Q减小，这正是让人费解之处。

为了解释上述两区间曲线波形，我们还得从不带先导液桥的插装阀式节流阀和TEA 系列电液比例节流阀的结构原理来分析，找出两种节流阀的区别。

先分析不带先导液桥的插装阀式节流阀，其原理图如下：图5通常，当调节螺杆调节固定后，插装式节流阀工作时，外面的先导电磁换向阀换向，使油口X和控制腔C与油箱连通，由于其主油路进油口B和出油口A的压力总大于控制腔C的压力，故主阀芯开启后总是被抵挡在调节螺杆的顶端位置，控制腔C压力变为零，插装阀主阀芯的开启行程被此限定，主阀芯的节流口面积不会因负载压力的波动而变化，即公式（1）中：A（x）是常数。

按此条件，由公式（1）还可以推导出：式中：Q a/Q b=（ΔP a/ΔP b）1/2（2）Q a——额定压差下的额定流量，50mm通经的TEA系列电液比例节流阀额定流量为2300L/min；Q b——实际压差下的实际流量；ΔP a——额定压差（最小压差），50mm通经的TEA系列电液比例节流阀额定压差为1MPa；ΔP b——实际压差。

从公式（2）中可看出，流量Q和ΔP的1/2次方成正比。

当一次回路的压力P1不变，二次回路压力P2增大时，压差ΔP将减小，流量Q也将减小。

这些也是普通节流阀的特点。

再分析TEA系列电液比例节流阀。

从前面已叙述的结构原理知，控制腔C的压力不等于零，先导液桥控制着主阀芯的开启位置，而先导液桥的回油被引至负载之前，因此，当负载发生变化时，例如：压力冲击直接作用在主阀芯和伺服活塞杆（两者之间的节流口构成可变液阻R1）上，导致液桥的工作压差（P3-P2）就会变小，控制腔C的压力P3随之升高，进而压迫主阀芯往关闭方向的移动（非关死），使A（x）变小，再随之出现主油路流量减小和压力P2下降。