电液伺服技术在蝶阀上的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室 作者:笪靖

  将电液伺服技术应用于蝶阀蝶板的高精度控制,给出高精度电液伺服控制蝶阀的结构,利用AMESim软件建立仿真模型,探讨各主要结构参数对其动静态特性的影响,并进行动静态试验。理论分析和试验结果表明:电液伺服控制蝶阀精度高、线性度好、滞回小、频响可根据工程实际进行设定,调整方便。目前,该蝶阀已在工程中应用。除蝶阀外,电液伺服技术也可用于球阀等阀门的高精度流量控制。

  蝶阀由于其结构紧凑、启闭迅速、流阻小、流量系数大,容易实现大口径、大流量的流体输送等特点,广泛应用于炼钢、电力、水利、化工等领域。目前,蝶阀主要应用于启闭控制,随着生产过程精度控制要求越来越高,还要求通过控制蝶阀蝶板的转动角度来控制输送的流量。随着计算机技术的发展和电液伺服技术的广泛应用,高精度流量控制的蝶阀成为一种可能。

  基于电液伺服技术响应快、精度高、体积小、输出力矩大等特点,作者提出了一种电液伺服控制蝶阀的结构,并根据其结构建立了AMESim仿真模型,对其动静态特性进行仿真分析,探讨系统各主要参数对动静态特性的影响,并进行试验验证。

1、工作原理

  图1为电液伺服控制蝶阀系统结构图,考虑到蝶阀控制所需油液很少,不必单独增设液压源,压力油可直接从主液压系统引入,并利用单向阀、蓄能器、减压阀等元件,可减少主液压系统压力波动对电液伺服控制蝶阀系统的性能影响。主系统油泵9经减压阀7将液压油减压输送至伺服阀5,在输入信号作用下,伺服阀5的阀芯移动,高压油进入液压缸4的一端,另一端通过伺服阀接回油,在压差的作用下,使液压缸活塞运动,并通过销与拨叉3,驱动蝶阀阀杆转动,使蝶板2转动。蝶板的转角由角度传感器1检测并反馈回输入端,与输入信号相比较得出误差信号,经放大器放大后输入伺服阀5,使蝶板的转动角度与输入角度相吻合。

电液伺服控制蝶阀系统结构图

图1 电液伺服控制蝶阀系统结构图

2、建模与分析

  为了更准确地反映系统的运动规律,利用AMESim软件,建立了如图2所示的液压系统仿真模型。

仿真模型

图2 仿真模型

  当对仿真模型输入阶跃信号时,角度传感器的输出响应曲线如图3所示。可见:当阶跃信号为4~20mA时,蝶阀蝶板实现了0°~90°的转动,开启响应时间约0.92s,关闭响应时间约0.97s。

阶跃特性的仿真曲线

图3 阶跃特性的仿真曲线

3、仿真分析

  系统的主要仿真参数有:减压阀调定压力、系统压力、增益K、液压缸活塞油压作用面积、模拟负载扭矩等。基于建立的仿真模型,探讨各主要参数对动态特性的影响,从而进行优化设计。改变上述参数,对动态特性进行仿真分析,仿真结果表明:

  (1)如图4所示,随着减压阀3调定压力的增大,阶跃响应时间逐渐缩短。当减压阀调定压力过低时,系统无法将蝶阀开启;而当减压阀调定压力过高时,蝶板则转动太快。因此,应根据应用场合选择合适的减压阀调定压力,该系统减压阀调定压力范围为6~15MPa。

减压阀调定压力的影响

图4 减压阀调定压力的影响

  (2)通过调整仿真模型中溢流阀6的压力,模拟主系统油源压力波动,系统压力对响应的影响如图5所示。可见:3条反馈电流信号曲线基本重合,即由于系统采用了单向阀、蓄能器、减压阀等元件,使减压阀出口压力保持不变,蝶板的角度控制特性不受系统压力变化的影响。

系统压力的影响

图5 系统压力的影响

  (3)如图6所示,蝶板转动的阶跃响应时间随放大器增益K的增大而缩短。K值太小,响应过慢;而K值太大,则蝶板转动太快。当减压阀调定压力为15MPa时,增益K取0.8~3,开启响应时间约1.27~0.51s,关闭响应时间约1.12~0.49s。

增益的影响

图6 增益的影响

  (4)液压缸活塞油压作用面积对蝶板响应特性的影响如图7所示。可见:曲线2的作用面积过小,产生的力不足以推动阀门启闭,而曲线4的作用面积过大,在流量相同的情况下,运动速度相对较慢,响应时间较长。因此,该系统中选用活塞直径40mm。

液压缸活塞油压作用面积的影响

图7 液压缸活塞油压作用面积的影响

  (5)如图8所示,随着模拟负载扭矩的增大,阶跃响应速度减慢,当负载扭矩增大到一定值后,蝶板将无法开启。该系统中模拟负载扭矩取200N·m。

模拟负载的影响

图8 模拟负载的影响

4、试验分析

  在上述仿真分析的基础上,搭建试验系统对电液伺服控制蝶阀液压系统进行了动静态试验验证。试验系统原理如图9所示,信号发生器发送阶跃或正弦信号,经直流电源偏置后,由采样电阻采样并输送至示波器读出;驱动电流与反馈电流比较后,经伺服放大器放大输入伺服阀;伺服阀驱动液压缸使拨叉转动,拨叉带动蝶阀蝶板转动,转动角度由角度传感器测量并反馈,经采样电阻采样后由示波器读出。

试验系统原理图

图9 试验系统原理图

  减压阀调定压力为15MPa时的电流—蝶板转角静态特性试验与仿真曲线如图10所示。3条曲线(仿真曲线、蝶板转角上升曲线、蝶板转角下降曲线)基本重合,说明蝶阀蝶板的转动与驱动电流呈良好的线性关系,且滞回很小,并验证了仿真模型。

静态特性的试验与仿真曲线

图10 静态特性的试验与仿真曲线

  图11所示为减压阀设定压力为15MPa时,示波器记录的阶跃响应曲线。可见,蝶阀蝶板开启时间为1s,关闭时间为1.2s。

  减压阀设定压力为15MPa时,蝶阀蝶板转动频响试验结果为0.94Hz(频响的仿真结果为0.95Hz),如图12所示,试验结果与仿真结果基本吻合。

阶跃特性的试验曲线

图11 阶跃特性的试验曲线

幅频特性的试验与仿真曲线

图12 幅频特性的试验与仿真曲线

5、结束语

  理论分析与试验结果表明:将电液伺服技术应用于蝶阀流量高精度控制是可行的。除蝶阀外,也可应用于球阀等阀门。目前,该蝶阀已成功应用于钢厂热轧系统中。

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