压力平衡气动比例阀设计与试验研究

2023-10-12郭大勇司国雷唐兵

机床与液压 2023年18期

郭大勇，司国雷，唐兵

(四川航天烽火伺服控制技术有限公司，四川成都 611130)

0 前言

气动比例阀作为电磁阀的一种，具有无级流量调节、结构简单、绿色无污染、易于维护、成本较低等特点[1-3]，在现实生活中特别是医疗行业有广泛应用[4]。但目前市面上的气动阀为了保证密封的可靠性多为带背压的，即阀芯受力是不平衡的，这样阀芯在打开时会受到气压力作用，在气动比例阀设计时就需要考虑气压突变力的存在，给气动比例阀的设计带来困难。

另一方面，通过检索文献，目前国内研究较多的是比例电磁铁，目的在于获得平稳的电磁力，提高比例电磁铁的有效工作行程。但比例电磁铁的研究只是实现比例阀比例调节的一部分，比例阀要实现比例调节还需要考虑阀芯在运动过程中的动态平衡，这就要求比例阀的阀芯受力要尽可能简单，通过控制负载力与电磁力的平衡，实现比例阀流量的连续调节。

所以本文作者一方面设计出压力平衡式气动阀结构，简化阀芯受力，这样在比例阀设计中只需考虑电磁力和弹簧力平衡即可。另一方面优化电磁铁结构，通过改变磁路使电磁力实现平稳变化，即电磁力随阀芯位移的变化幅度要小，这样在不同电压控制下，电磁力的变化范围才会小，与电磁力平衡的弹簧力才会控制在有限区间，保证复位弹簧容易设计。

在得到稳定的电磁力后，弹簧的设计只需匹配不同电压下的电磁力值来实现动态平衡，这样弹簧力就会被分段控制在不同电压区间，根据分段电磁力值来得到复位弹簧结构，最终实现比例阀在不同电压下流量的连续输出。

现将压力平衡气动比例阀设计步骤作简单介绍，其中气动比例阀技术指标如下：(1)阀口通径4.6 mm；(2)通路数为二位二通；(3)负载压力0.7 MPa；(4)控制电压6 V；(5)线圈电阻：≥14.4 Ω；(6)功耗：≤2.4 W；(7)流量：≥180 L/min；(8)外形尺寸：≤φ16.6 mm×40 mm。

1 结构及工作原理

为了实现气动比例阀低功耗要求，设计的气动比例阀采用压力平衡式结构，动阀芯在工作过程中受到的气压力平衡，这样电磁力只需克服弹簧力，从而降低控制电压和电流。设计的气动比例阀结构如图1所示。

图1 压力平衡式气动比例阀结构

如图1所示，气动比例阀主要由端盖、密封圈、线圈组件、导向筒上段、导向筒下段、密封膜片组件、定位套、进气套、动阀芯组件、隔磁环、复位弹簧和外壳组成。工作过程为：当比例阀通电后，随着电磁力的不断增加，当电磁力大于弹簧预紧力时，动阀芯开始运动；随着动阀芯的移动，弹簧不断压缩，弹簧力不断增大；当弹簧力等于电磁力时，动阀芯处于某个平衡位置；继续增大电流，电磁力不断增加，动阀芯继续移动，直至达到新的平衡状态，从而实现比例阀开度的调节；在关闭过程中随着电流的降低，电磁力不断降低，弹簧慢慢复位，当电磁力等于弹簧力时，动阀芯处于某个平衡位置，继续降低电流，直至比例阀关闭。

2 气动比例阀结构设计

2.1 动阀芯结构尺寸确定

气动比例阀的工作介质是空气，入口压力0.7 MPa，流量不小于180 L/min，根据气动比例阀阀口结构，建立阀口部分AMESim仿真模型如图2所示。

通过AMESim仿真可以确定比例阀阀口结构尺寸为：进气套孔口直径4.6 mm，阀座直径5.6 mm，动阀芯直径4.6 mm，阀芯行程0.26 mm。

图2 比例阀阀口结构AMESim仿真模型

2.2 线圈组件设计

根据文献[5-7]可推导出线圈组件计算的相关公式如下：

bxq=(Dw-dn)/2

(1)

(2)

S=bxqhxq

(3)

(4)

(5)

P=UI

(6)

式中：bxq为线圈宽度，mm；Dw为线圈外径，mm；dn为线圈内径，mm；Rxq为线圈电阻，Ω；ρx为导线电阻率，Ω·mm2/m；α为线径系数，1.144 4；N为线圈匝数；hxq为线圈高度，mm；S为线圈截面积，mm2；d为漆包线直径，mm；IN为线圈安匝数；U为线圈电压，V；P为线圈功耗，W；I为线圈电流，A。

根据比例阀外形尺寸不大于φ16.6 mm×40 mm，控制电压U=6 V，线圈电阻Rxq≥14.4 Ω，线圈功耗P≤2.4 W，初步设定线圈外径Dw=12 mm，线圈内径dn=6.6 mm，线圈高度hxq=14 mm，通过公式(1)—(6)可计算出漆包线直径d=0.18 mm，线圈匝数N=850匝，IN=312安·匝，线圈功耗P=2.2 W。

2.3 密封膜片有效直径计算

密封膜片在压力差的作用下传递的力一部分被固定膜片的机械装置平衡，另一部分才是膜片输出的有效作用力，因此，膜片的有效面积可以理解为在压力差作用下产生的相当于有效作用力的“假想”当量面积，而不是膜片的全部面积。文中密封膜片的主要作用是平衡入口压力，使动阀芯在工作过程中不受气压力的影响。根据文献[8]，当膜片的工作位移不大于5%D1时，膜片的有效面积按公式(7)计算：

(7)

如图1所示：D1为固定膜片压环的内径，D=3 mm为固定压环连接柱的直径，D2=4.6 mm(与比例阀进气口直径相同，用来平衡进口压力)。通过公式可以确定D1=6.3 mm时，动阀芯组件能够实现压力平衡。

2.4 隔磁环有效参数确定

比例电磁铁与普通电磁铁的本质区别在于比例电磁铁能够输出稳定的行程力特性。决定这一特性的关键在于比例电磁铁中增加了隔磁环结构，其中隔磁环参数对电磁力将产生重要影响[9-13]。

当给比例电磁铁通电时，会产生两条闭合的磁路φ1和φ2，如图3所示。其中φ1经过外壳、动阀芯和端盖构成闭合磁路，对动阀芯产生轴向力F1；φ2经过外壳、导向筒上段并绕过隔磁环，通过动阀芯和端盖构成闭合磁路，对动阀芯产生附加轴向力F2，F1和F2的合力就是最终动阀芯所受的电磁力F。

对比例电磁铁进行Maxwell有限元仿真研究，由于比例电磁阀为轴对称模型，因此建立其模型的一半，提高计算速度[14]，如图3所示。设置边界条件为气球边界条件[15]，端盖、导向筒下段、导向筒上段、动阀芯、外壳的材料设置为DT4，励磁线圈和隔磁环的材料为Cu。

隔磁环参数设置如图4所示，隔磁环起始位置为ABCD，AD与竖直方向的夹角为θ1，BC与竖直方向的夹角为θ2，AB为隔磁环长度h，隔磁环沿竖直方向移动到新的位置A′B′C′D′，移动距离为Δh，向上为正，向下为负。在起始位置点B的位置与动阀芯吸合前平齐，AB=CD=h=1 mm，θ1=θ2=90°，Δh=0 mm。

图4 隔磁环示意

2.4.1θ2=30°不同Δh电磁力变化

设定θ2=30°，Δh分别为0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余参数为初始参数值，得到电磁力-位移曲线如图5所示。

图5 θ2=30°不同Δh电磁力变化曲线

从图5可以看出：当θ2=30°时，随着隔磁环位置的上移电磁铁的电磁力逐渐降低。原因是随着隔磁环位置的上移，工作气隙处的磁感应强度降低(如图6所示)，但水平度(Δy/Δx)越来越好，在Δh=0.2 mm(Δy/Δx=54.15)和Δh=0.4 mm(Δy/Δx=53.26)处水平度接近，但Δh=0.2 mm处电磁力更大，因此优先选择Δh=0.2 mm位置。

图6 θ2=30°不同Δh工作气隙处磁感应强度变化曲线

2.4.2θ2=60°不同Δh电磁力变化

设定θ2=60°，Δh分别为0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余参数为初始参数值，得到电磁力-位移曲线如图7所示。

图7 θ2=60°不同Δh电磁力变化曲线

从图7可以看出：当θ2=60°时，随着隔磁环位置的上移电磁铁的电磁力逐渐降低。原因是随着隔磁环位置的上移，工作气隙处的磁感应强度降低。但水平度越来越好，在Δh=0.2 mm和Δh=0.4 mm处水平度基本一致，但Δh=0.2 mm处电磁力更大，因此优先选择Δh=0.2 mm位置。

2.4.3θ2=90°不同Δh电磁力变化

设定θ2=90°，Δh分别为0、0.2、0.4、-0.2、-0.4 mm，其余参数为初始参数值，得到电磁力-位移曲线如图8所示。

从图8可以看出：当θ2=90°时，随着隔磁环位置的上移电磁铁的电磁力逐渐降低。原因是随着隔磁环位置的上移，工作气隙处的磁感应强度降低。但水平度越来越好，在Δh=0.2 mm和Δh=0.4 mm处水平度基本一致，但Δh=0.2 mm处电磁力更大，因此优先选择Δh=0.2 mm位置。

2.4.4 Δh=0.2 mm不同θ2电磁力变化

通过第2.4.1、2.4.2和2.4.3节仿真发现，当θ2不同时，在Δh=0.2 mm处电磁力-位移曲线均表现出良好的水平特性，通过对比得到图9的仿真结果。

从图9可以看出：当Δh=0.2 mm时，随着θ2的增大，电磁铁的电磁力降低，且θ2=60°时，电磁力-位移曲线的水平度最好，因此选择隔磁环参数θ2=60°、Δh=0.2 mm。

图9 Δh=0.2 mm不同θ2电磁力变化曲线

2.4.5θ2=60°、Δh=0.2 mm不同θ1电磁力变化

通过第2.4.4节确定隔磁环的首选参数是θ2=60°、Δh=0.2 mm，当θ1=30°、60°、90°，其余参数为初始参数值，电磁力变化曲线如图10所示。

图10 θ2=60°、Δh=0.2 mm不同θ1电磁力变化曲线

从图10可以看出：θ2=60°，Δh=0.2 mm，当θ1=30°、60°、90°时，电磁力-位移曲线几乎重合，因此θ1对电磁力的大小及水平度影响不大。从加工难易角度考虑取θ1=90°。

2.4.6θ2=60°、Δh=0.2 mm不同h电磁力变化曲线

通过前几节仿真确定隔磁环参数为θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°，当h=1、1.5、2、2.5 mm时电磁力变化曲线如图11所示。

图11 θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°不同h电磁力变化曲线

从图11可以看出：当θ2=60°、Δh=0.2 mm、θ1=90°时，随着h的增大，电磁铁的电磁力降低，因此选择h=1 mm。

通过对隔磁环参数的仿真分析，最终确定隔磁环参数为θ2=60°，Δh=0.2 mm，θ1=90°，h=1 mm。

2.5 复位弹簧设计

弹簧是比例阀中关键部件，它与一般电磁阀中弹簧的设计有较大区别，其性能设计要考虑预紧力的大小、自由长度、外径、簧丝直径、电磁力、气压力、摩擦力等因素相匹配，其性能好坏直接影响比例阀的线性度[12]。在此研究中，由于动阀芯受到的气压力平衡，因此工作过程中弹簧力主要用来平衡电磁力。当控制电压在1～6 V内变化时，电磁力变化曲线如图12所示。

图12 不同控制电压电磁力变化曲线

从图12可以看出：当控制电压在1～6 V内变化时，电磁力均表现出良好的水平特性，说明隔磁环的参数设计合理。当控制电压在1～6 V内变化时，电磁力的变化范围是0.42～23.82 N，所需的弹簧力需在该范围内进行匹配，保证与电磁力平衡，这样才能保证比例阀实现比例特性。因此设计的弹簧力需满足表1的要求。

表1 比例阀弹簧力设计要求

通过Autodesk Inventor软件对弹簧进行设计，界面如图13所示。

图13 弹簧设计参数

最终得到的复位弹簧参数如图14所示。

图14 复位弹簧参数

3 试验研究

根据气动比例阀技术条件，通过仿真设计确定了比例阀的基本结构，现对比例阀的输出流量特性进行试验，看随着电压的变化流量是否会连续变化。其中试验检测装置如图15所示。

图15 气动比例阀流量测试装置及产品

试验检测结果如图16所示。

图16 气动比例阀流量特性曲线

从图16可以看出：随着控制电压的增大，电磁力不断增大，当控制电压大于2.5 V时，电磁力克服弹簧预紧力，阀芯开始运动，出口有流量输出，随着控制电压继续增大，阀出口流量也连续地成比例增大；当控制电压从6 V逐渐减小时，阀出口流量也连续地成比例减小，在控制电压小于2.5 V时，阀芯在复位弹簧预紧力的作用下复位。由于电磁铁本身的滞环以及在运动过程中弹簧力、摩擦力的影响，输出流量随控制电压的增长下降并非呈线性关系，相同的控制电压在电信号递增以及递减的过程中对应的输出流量不同，从试验结果看就是比例阀在打开关闭过程中流量曲线不重合。