[科普中国]-水压直驱式高速开关阀

简介

水下机器人作为深海作业的重要工具，是海洋探索、海洋开发服务最为重要的装备.而由海水液压驱动的水下作业机器人研制必然为海底资源探测、海底打捞与救生、海底油气资源开发等提供有力而可靠的工具，成为深海无人作业的主力军，同时对海军军事建设等水下作业任务具有重要的意义.因此，提高我国水压机器人技术刻不容缓，具有一定的社会、经济和军事意义。

目前，国内外所研制的液压机械手主要以油压系统为主，其中的控制元件主要为油压比例阀或伺服阀，对传动介质的污染度提出了更高的要求，由于水液压比例阀或伺服阀至今发展并不成熟，限制了水液压系统在液压机械手中的应用.但是，以水为工作介质的锥阀类运动部件之间配合公差小、动作灵敏，可实现微小或零泄漏，同样可以满足机械手在控制精度和速度方面的要求。

与传统的高速开关阀相比较，新型直驱式开关阀利用推力较大的线性作动器直接推动阀芯，去掉了喷嘴一挡板等前置级，减少了先导级的泄漏问题，提高了其抗污染能力和工作可靠性，具有结构简单、响应速度快等特点，同时降低了生产加工成本.此外直驱式开关阀结构便于在阀芯上和位移传感器构成闭环控制系统，从而大大提高了开关阀的静态特性，在机器人控制领域具有十分广阔的前景，因此受到了国内外的广泛关注

通过音圈电机控制技术与水液压技术紧密结合，将音圈电机的高速、高精度、快响应与锥阀结构的密封可靠性相结合，提出一种音圈电机直接驱动式水压高速开关阀.为了实现大功率重载型水压机器人的高精度控制，需对水压直驱式高速开关阀的动态性能进行深人分析，以满足我国日益增长的海洋开发、海洋探索等重大装备的需求，促进我国海洋强国的发展。

水压直驱式高速开关阀结构原理水压直驱式高速开关阀采用音圈电机作为作动器，在结构上具有简单小巧、质量轻等特点，在控制上具有响应速度快、控制精度高以及力控制精确性高等优点，同时还具有使用周期长、运动频率高等特点，其结构原理如图1所示.音圈电机与开关阀阀芯通过螺钉固连在一起，能够实现音圈电机一开关阀阀芯的直接快速驱动控制，降低音圈电机动子和阀芯之间的振动冲击噪声。

水压高速开关阀阀芯采用分体平衡结构，即主阀芯和补偿密封活塞通过锁紧螺母压紧，锁紧螺母和补偿密封活塞之间由密封圈进行密封，保证流经阀口的介质不泄漏，最终在锁紧螺母的连接作用下使主阀芯和补偿密封活塞共同构成水压高速开关阀阀芯.该分体阀芯平衡结构能够保证水压高速开关阀在关闭状态下阀芯轴向面上保持压力平衡，使阀芯不受压力的作用，从而降低音圈电机的推拉力需求;同时在开启时保证作用在水压高速开关阀阀芯上的压力能够与作用在补偿密封活塞上的压力相抵消。

所研制的水压高速开关阀具有流量大、响应速度快等显著特点，在开启关闭过程中能够保证作用在阀芯上的压力平衡，同时可实现水压高速开关阀的快速开启和关闭.为了增强系统的抗污染能力，开关阀阀芯和阀座之间采用锥面密封结构，大大提高了阀口的密封可靠性 水压直驱式高速开关阀工作原理如图2所示.当水压高速开关阀关闭时(如图2(a)所示)，即音圈电机推动阀芯向下运动，流经进口的高压介质作用在阀芯的上端周向面上，阀芯在轴向方向不受介质压力作用，在音圈电机推力的作用下阀芯和阀座能够紧密关闭;当水压高速开关阀向上开启时(如图2 (b)所示)，即音圈电机拉动阀芯向上运动，此时音圈电机只需克服阀芯上下两端密封圈的摩擦力即可，使高速开关阀在音圈电机拉力的作用下快速向上开启;当开关阀开启后，由于阀芯下端密封直径和阀座与阀口上端密封处的直径相等，即阀芯下端A1环形作用面积与阀口处的A2轴向投影作用面积相等，因此流经阀口的高压介质作用在阀芯A1环形作用面积和A2轴向投影作用面积上的液压力大小相等，在音圈电机拉力的作用下高速开关阀阀口始终开启，此时当开关阀再次关闭时在音圈电机向下的推力作用下仅需克服密封圈的摩擦力即可，从而降低了音圈电机所需推力要求，保证水压高速开关阀在音圈电机推拉力的作用下快速开启、关闭，并且密封可靠。

水压高速开关阀AMESim动态仿真模型为了实现水压直驱式高速开关阀关键结构参数的优化，根据其结构原理，在AMESim仿真软件中构建了水压直驱式高速开关阀的AMESim仿真模型，如图3所示.其中，设置压力源大小为8MPa，即高速开关阀进口压力为恒定值，其中弹簧力起到阀芯的预紧作用，可忽略其对高速开关阀动态性能的影响.将在MATLAB/Simulink中求得的音圈电机数学模型与AMESim进行联合仿真，使水压高速开关阀在音圈电机推拉力的作用下能够快速开启、关闭.

在水压直驱式高速开关阀AMESim仿真模型的基础上，对开关阀的主要结构参数进行设置，开展开关阀的动态性能仿真研究.通过改变开关阀关键结构参数的大小，分析高速开关阀关键结构参数(如锥面阀芯直径、锥面阀芯锥角以及阀套孔直径等)对开关阀动态响应性能的影响，实现高速开关阀结构参数的优化，从而提高水压高速开关阀的动态性能。

仿真结果及分析水压直驱式高速开关阀是电、磁(音圈电机)和机、液(开关阀本体)紧密结合的非线性藕合系统.水压直驱式高速开关阀的动态特性与其关键结构参数紧密相关，因此，在进行动态特性分析时，需对其关键结构参数进行优化分析，选择出最佳的结构参数，从而提高开关阀的动态响应速度.由于所采用的音圈电机为商业化产品，为了仿真的准确性，在此直接利用其相关结构参数，不考虑其对水压开关阀动态性能的影响.

基于AMESim批处理的单参数影响分析

通过单参数对水压高速开关阀的动态特性的影响分析，研究不同参数变化与性能指标之间的关系曲线，不仅可得到不同参数变化对性能指标的影响趋势及影响规律，同时还可获得参数灵敏度的直观概念.所要研究的变化参数主要包括[ ;1)锥面阀芯直径;;2)锥面阀芯锥角;3)阀套孔直径，具体为:首先选择局部优化口标参数，同时假定水压高速开关阀的其他结构参数不变，设定口标参数最大值和最小值区间范围，进行批处理仿真分析，通过仿真结果观察口标参数对水压高速开关阀动态性能的影响，进而初步确定其最佳优化值.下面将对单参数与性能指标的变化关系加以分析，并得出其变化曲线.

锥面阀芯直径对开关阀动态性能的影响

根据开关阀额定流量要求，初步选取开关阀锥面阀芯直径为20,22,24,26,28 mm进行动态特性仿真分析，可得水压高速开关阀的出口流量曲线如图4所示，.由图4可见，开关阀出口流量随阀芯直径的增大没有明显变化，可知开关阀通流面积并未随阀芯直径的增大而改变，开关阀的动态响应随阀芯直径的增大而变快.因此，从减小开关阀体积和质量的角度对阀芯直径进行综合考虑，初步选取阀芯直径为24 mm.

水压直驱式高速开关阀试验研究在以上研究的基础上，研制了水压直驱式高速开关阀样机(如图18所示)，并在纯水液压阀性能试验台上对其进行了性能试验研究，试验系统原理如图19所示.所设计的水压直驱式高速开关阀采用耐海水腐蚀材料制造，设计额定压力为8 MPa，最大流量可达100 L/min.构建了水压直驱式高速开关阀性能试验台(如图20所示)，系统额定压力为8MPa，最大流量可达100 L/min.

同时没有安装冷却装置，造成电机发热明显，导致音圈电机在推拉开关阀阀芯运动时，出现严重的滞后现象，使水压直驱式高速开关阀动态响应时间变慢.