应用于喷水织机的水压数字阀设计及特性的研究

王 东 唐令波 唐雪梅 袁子厚 刘文健

(1.武汉纺织大学 机械学院 湖北 武汉：430073 ；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080)

应用于喷水织机的水压数字阀设计及特性的研究

王 东1唐令波1唐雪梅1袁子厚1刘文健2

(1.武汉纺织大学 机械学院 湖北 武汉：430073 ；2.武汉工程职业技术学院 湖北 武汉：430080)

数字阀是数字控制系统中的重要元件。结合喷水织机水压系统的工作特性，设计了直控式数字阀，详述了该阀的结构和工作特点，在此基础上，对调节喷水流量的数字阀的动态特性、流量特性进行了仿真研究分析，其结果可为喷水织机实现数字化控制提供参考。

直控数字阀；动态特性；喷水织机；仿真；数字阀

喷水织机的引纬机构是应用压力水流高速引纬的方式，其主要工艺参数有水压泵动程、引纬压力、喷射流量、喷射流速和时间、纬丝速度等。对喷水织机传统的引纬喷射水压系统进行数字化设计，以使喷射水量、喷射压力、喷射速度和喷射时间等参数达到数字化控制模式，从而提高引纬系统的工作性能，有利于织机装备自动化程度的发展。

目前喷水流量控制是通过调节限位螺钉来实现的，以此使水压泵柱塞位移的极限位置发生变化[1-2]。水量调节螺钉突出长度愈短，柱塞位移愈大，则水流出流持续时间长，水量也愈大，对引纬稳定性和引纬速度的提高有利，但水量调节螺钉的突出长度也不宜过小，因为调节到一定程度后，在水泵活塞向前运动时，双臂杠杆上的凸轮转子将先撞击到凸轮。此时，一方面水量调节螺钉就失去了作用，另一方面，转子与凸轮冲击太大，影响凸轮的寿命。

采用数字节流阀调节喷射流量和喷射时间，可以达到较高的控制精度和响应速度。本文结合水压数字节流阀的结构，对其动态特性、流量特性进行研究和分析。

1 数字阀的结构及材料

1.1 结构

数字阀具有价格低廉、阀口对污染不敏感及功耗小等特点[3]。水压节流阀在系统中可用作调节流量、给泵加载等，图1为直控式数字水压节流阀的结构示意图。

图1 水压数字节流阀结构

数字水压节流阀的工作原理是，步进电机按计算机发出的脉动信号而转动，固定其上的机械转换机构与其同步旋转，机械旋转机构通过滚珠传送扭矩，带动阀芯一起同向旋转。阀芯通过阀杆上的螺纹与机械联结机构外框上的螺纹配合，实现联结与密封并承担数字阀工作时的液动力。当步进电机通过机械联结机构带动阀芯顺时针或逆时针旋转一周时，阀芯将沿着轴向前进或后退一个螺距单位长度，相应的，节流阀开口度将会减小或增大一个螺距单位长度。从而达到控制流量和流速的目的。

直线位移传感器固定于机械联结机构外框之上，其滑动端通过一根滑竿与机械联结机构相联，并保证其在阀芯轴向上与阀芯没有相对位移。如此一来，位移传感器就能真实的反映阀芯移动的距离即节流阀开口度了。每个控制周期结束时，控制阀芯自动返回零位，以保证每个工作周期都从零位开始，提高阀的重复精度。

1.2 材料

由于水介质的腐蚀性，易导致控制阀材料锈蚀，从而大大降低零件强度及表面质量，导致运动件卡死、阀的使用寿命下降等后果。因此，选择与水介质具有较好相容性的材料成为研制高性能水压控制阀的关键问题。所选择的材料不仅要有较好的自润滑性能、较强的抗腐蚀性，而且应当具备水介质中性能稳定、良好的抗疲劳性能等特点[4]。

在水压节流阀中，为防止腐蚀，阀体采用表面镀铬、镍等工艺处理的奥氏体不锈钢，阀芯和阀座采用耐蚀合金材料。

2 动态模型建立

2.1 输入信号

步进电机驱动器接收信号发生器发出的脉冲信号，经过放大环节，驱动步进电机旋转，这一部分可看作是比例环节。步进电机的角位移输入量：

θ=θsN

(1)

式中：θ为步进电机旋转的角位移；θs为步进电机的步距角；N为信号发生器发出脉冲数。

2.2 阀芯的位移

步进电机带动阀芯旋转，阀芯与机械转换机构的外框构成螺旋副，当电机旋转时就把阀芯的旋转量变成阀芯的轴向直线运动的位移量。

(2)

式中：xv为阀芯的位移；P为螺旋副的单位螺距；θ为步进电机的角位移。

由于步进电机的固有频率要远远大于液压阀的频率，因此在动态特性的近似分析中，可以把位移对脉冲数的传递函数写成：

(3)

式中：τ为步进电机的步距。

2.3 步进电机的推力F

(4)

式中：η为电机的效率；P为螺旋副螺距；M为步进电机输出扭矩，对于混合式步进电机，在额定电压下，其值正比于相电流Im。

当步进电机在额定电压下工作时，步进电机的输出推力方程可近似表示为：

F=KeIm

(5)

式中：Ke为步进电机的输出推力系数。

其传递函数为比例环节：

(6)

2.4 节流阀的传递函数

节流阀工作时，阀芯运动的动力学方程为：

(7)

式中：F为步进电机的电磁推力；m为阀芯和阀腔室中液体的总质量；Bv为节流阀的粘性阻尼系数；Bt为瞬态液动力阻尼系数；Ks为稳态液动力刚度系数。

则阀芯位移对步进电机的电磁推力的传递函数为：

(8)

式中：Be为液压阀的综合阻尼系数。

综上各式，阀芯位移量对步进电机输入电流的开环传递函数：

(9)

考虑到检测元件H(s)反馈系统[5]，得系统的闭环传递函数：

(10)

式中：H(s)为反馈环节的传递函数，检测元件比例系数为Kd，H(s)=Kd。

开环系统和闭环系统的方框图，分别见如图2、图3所示。

图2 数字节流阀开环系统方框图

图3 数字节流阀闭环系统方框图

3 动态仿真

利用Simulink进行仿真，可得闭环和开环阶跃响应仿真曲线分别见图4和图5。

图4 闭环系统阶跃响应

图5 开环系统阶跃响应

进行频率特性仿真，可得数字节流阀闭环和开环系统的Bode图，分别见图6、图7。

图6 闭环系统的Bode图

图7 开环系统的Bode图

由仿真曲线可以看出，数字节流阀输出的阀芯位移曲线具有振荡性和一定的超调量，开环系统的超调量比闭环系统的超调量稍大，可见，闭环控制精度高于开环控制。开环、闭环系统的相位裕量γ为正相位裕量，增益裕量Kg约为55dB，均可满足稳定性要求。

4 流量特性

由流体力学理论知，水流流经薄壁小孔的流量特性方程为：

(11)

式中：A为过流面积；Δp为阀进出口压力差；ρ为水的密度；Cq为阀口流量系数，由节流口形状及流体性质等因素决定。

使用脉冲数代替节流阀开口度，所选的步进电机的步距角为0.9°，为了直观的显示开口度和流量的关系，将脉冲数换算成长度值[6]。具体换算关系为：阀芯每旋转一圈需要的脉冲数为N=360°/0.9°=400，而每转过一圈，阀芯将移动一个螺距长度S=0.75mm。根据喷水织机射流压力的调节范围，作出两种压力下数字阀的流量特性，分别见图8、图9。

图8 压力为0.3MPa时流量特性

图9 压力为1.5MPa时流量特性

从流量特性曲线看出，数字阀的流量特性是稳定的。在压力调节范围内，阀芯开口度对应的流量可以满足额定要求。随着压力的增大，相同的开口度对应的流量值也会随之增大。

5 结语

由于闭环系统优点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和内部系统的参数变化均相当不敏感，闭环控制精度高于开环控制，可见，闭环控制的数字阀比开环控制的更具优势。在喷水织机引纬机构水压系统中，为使喷射流量等工艺参数达到较高的控制精度和响应速度，采用闭环直接数字控制方式并使微机与数字控制策略相结合，能实现复杂的控制功能，提高织造机械的自动化水平，以实现织机生产过程的智能化、高速化和信息化。

[1] 陈革，杨建成.纺织机械概论[M].北京：中国纺织出版社，2011．

[2] 汪金福，孙雨芳.国外喷水织机[M]．北京：纺织工业出版社，1988．

[3] 赵晓燕.数字阀的优化设计研究[J]．机床与液压，2004，(4)：66-67．

[4] 刘家浚.材料磨损原理及其耐磨性[M]．北京：清华大学出版社，1993．

[5] 王春行．液压伺服控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[6] 周棣.水压数字节流阀的研究[D]．武汉：武汉纺织大学,2009．

ResearchonDesignandCharacteristicsofWaterDigitalValveAppliedtoWaterJetLoom

Wang Dong1Tang Lingbo1Tang Xuemei1Yuan Zihou1Liu Wenjian2

(1.School of Mechanical Engineering，Wuhan Textile University, Wuhan 430073, Hubei;2.Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

The digital valve is a key unit in digital control system. Combined with the working characteristics of the water hydraulics of water jet loom, the direct controlled digital valve is designed. The structure and characteristics of the valve is also described in this paper. On this basis, the dynamic characteristics and the flow characteristics of the digital valve controlled water flow are studied by simulation analysis. The results can provide the reference for the realization of digital control in water jet loom.

direct controlled digital valve；dynamic characteristics；water jet loom; simulation; digital valve

李文英)

2017-11-01

2017-11-22

湖北省数字化纺织装备重点实验室开放课题资助(DTL2016001,DTL2017008)

王 东(1963～)，男，博士，教授.E-mail：1983058575@qq.com.

TH137.5

A

1671-3524(2017)04-0023-04