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高速电磁开关阀在带钢纠偏中的应用研究

高速电磁开关阀在带钢纠偏中的应用研究

摘要: 高速开关阀作为高速带钢纠偏装置中的电液转换元件,响应速度快,抗污染能力强,并可方便地实现由计算机直接控制。 关键词: 液压控制; 液压元件; 电磁阀 中图分类号:TH137.52 文献标识码:A 0 引言 高速电磁开关阀是流体传动与控制技术领域的一种新型的控制元件,可应用于伺服控制系统。由于高速电磁开关阀是一种可实现数字信息控制的阀,所以易于同电子回路配合实现自动控制。新型数字阀是以高速电磁开关阀为基阀构成的,具有结构简单、控制精度高、响应速度快及数控能力强等优点。在高速带钢纠偏系统中可代替价格昂贵的伺服阀实现流体传动的数字控制。因数字阀只有ON、OFF两种工况,其开关靠高低电平来驱动,具有良好的数控性能。流体脉冲控制系统可直接把数字信号作用于开关式的机电转换元件上,使其输出间歇式的流体脉冲序列,以此控制流量的平均值。在工作中高速电磁开关阀只有开、关两种工作状态,可靠性高,可采用简单的开关电路与计算机接口放大电路直接相连。实现计算机技术与流体控制技术的良性有机结合。 1 高速电磁开关阀结构型式及工作原理 本课题所用高速电磁开关阀为推杆球阀式,其特点是借助供油口与控制口间的压差使球阀复位, 取代了普通阀复位弹簧,使得结构简单,响应速度大大提高。图1为高速开关阀结构图。 高速开关阀主要以脉宽调制信号控制。脉宽调制是将随时间作幅值变化的模拟连续信号转化为一定周期中高压电平占空比作对应变化的脉冲周期信号。因而,脉宽调制控制系统实质上是一采样控制系统,只是采样后脉冲幅值不变,变化的只是一个周期中高电平的占空比。图1中,当电磁铁2断电时,供油球阀7在供油-回油压差作用下向左运动,使供油口与控制口接通;在供油球阀左移的同时,通过分离销的作用推动回油球阀5紧靠密封座面,使回油口与供油口断开,控制口为高压。当电磁铁通电时,衔铁1产生的电磁推力通过顶杆和分离销使回油阀与供油阀一起右移,直至供油球阀紧靠其密封座面,此时回油阀5打开,供油阀关闭,控制口为低压。
当给阀作用一电压幅值为U,时间宽度为TP脉冲时,线圈电流I与阀芯位移X的关系见图2。 作用一脉冲电压,产生与之成比例的电磁力。当电磁力大于液动力与摩擦力之和,阀芯开始运动。由于阀芯运动,使得线圈中电感发生变化,电流也发生变化。再输入信号的低电平,阀关闭。由此可见, 阀的运动若用滞后时间与一次曲线来模型化, 其开关运动就可用如下4个 时间参数确定下来:阀芯开启滞后时间ta,阀芯开启时间ton,阀芯复位滞后时间tc,阀芯复位时间toff。以上4个时间参数可由电流响应曲线直接测得:
设每周期中通过高速开关阀的平均流量为Q,则有
式中:Qmax—阀口全开时过阀最大流量,l/min; τ-- 占空比; Cd--流量系数;    Av-阀口通流面积,cm2; Δp-阀口压差,Mpa; ρ--油液密度,kg/cm3. 上式(1)为理想式。由于阀芯位移波形存在失真,实际占空比有所改变,故应对式(1)进行修正。修正量随上述4个时间值的差异而变化。实际平均流量式应表述为 Q=Qmax•kτ (3) 式中k为修正系数。 2 PWM 驱动原理 图3是油缸控制系统原理图。与伺服阀、比例阀的连续控制方式不同,高速开关阀采用脉冲流 量控制方式,阀根据一系列脉冲电信号进行开关动作。在出口输出一系列脉冲流,这一系列时间脉冲平均流量被视为控制流量。流体脉冲列的形成和调节方式有很多,较常用的是脉宽调制(PWM)。
图4所示为液压系统的PWM 驱动原理。设高速开关阀对输入电压脉冲信号有理想的响应,即无动作滞后、开关失灵等。则从图中可以看出当两阀分别作用一系列脉冲信号后,油缸的位移方式。
当脉冲周期为Tf的一系列脉冲作用在F1上,其高电平使阀开启,时间宽度为Tp,有: Tf=TP+Toff 式中: Toff -- 阀关闭时间。
由此可见,在理想情况下,活塞平均速度同输入信号的占空比成正比。也就是说在一周期Tf内活塞位移yP与脉宽TP成正比。同理可知在阀F2上作用脉冲信号后活塞反向运动的情况。从图4中还看出,信号经PWM 调成脉冲信号并以高频方式传递,高速开关阀的输入与输出却是以高频脉冲方式进行的。油缸相当于一个低通滤波器,当PWM 信号周期越小时,其输出越平缓。 3 高速开关阀的特性 高速开关阀的静特性是指给阀占空比缓慢变化的一系列脉冲信号,其输出作相应变化的性能。 3.1 基本回路 图5是二位三通阀特性计算油路图。供油口流量为Q1,负载压力为pL,输入信号周期为Tf,高电平时间宽度为TP,TP与Tf之比称为变频率,即占空比表示为: τ= TP/ Tf
3.2 PWM控制的流量特性 设阀口面积为AV,则流经该阀口的平均流量Qs与输入PWM 信号的
式中:P s--供油口平均负载压力,MPa; P t--阀的出口压力,MPa。 出油口的平均流量Q d为:
特别是当负载压力 =0时,阀输出平均流量与输入PWM 信号的占空比之间的关系为基本常用特性,简称Q-τ特性。 对于理想的高速开关阀,Q-τ特性是从原点到占空比为100%最大值点的一条直线。而实际上由于开关阀阀芯的动作有开关滞后等现象,会造成死区、饱和区,故实际测量曲线并非线形曲线。考虑到死区、饱和区的影响,把高速阀的空载流量特性用如下函数式表示:
式中: τ 0---空载流量占空比 τ 1---空载压力占空比 其中 K,=Q0/(τ 0-τ) 3.3 空载压力特性 空载压力特性是负载流量为0(即图5中节流阀处于闭死状态)时, 平均负载压力pL与输入PWM 信号的占空比之间的关系。令式(5)中
4 由高速开关阀组成的电液执行器 可编程控制器PLC控制的数字阀在高速带钢纠偏系统中的应用原理框图见图6。本系统由可编程控
制器、新型数字阀、液压油缸、光电检测器及位移编码器等部件组成。图6所对应的以PLC作为控制单元组成的液压数字纠偏系统见 图7。数字阀由两个高速开关阀和一个电磁换向阀集成在一阀块上组成。选取双作用油缸作为执行元件,整个数字阀由可编程控制器来控制。在缸一端模拟带钢边缘设置一个CCD像感传感器,油缸另一端设置一位移传感器,整个纠偏系统总的技术路线为:来自CCD检测器的主信号和来自位移编码器的目标信号经放大处理后输入可编程控制器PLC,经PLC内部程序计算出两信号差值e并判断, 当|e|a时,组成数字阀中的大流量阀动作,实现大流量快速纠偏,其中数值a根据带钢运行速度及系统频宽进行计算。
5 结束语 在带钢纠偏液压系统中使用高速开关阀能达到良好的效果,使带钢实现平稳传送。高速开关阀具有响应速度快、结构紧凑、体积小、价格低并可直接与计算机接口等优点,是一种很适合与轧钢机械等配套使用的新型电液转换元件,应用前景十分广阔。 参考文献: [1]冯一东,数字阀插装阀并联电路系统[J].液压与气动,1996(4);28 [2] 李玉贵.高速开关阀在高速带钢纠偏系统中的应用[J].山西机械,2000(2):11-12. The application of high speed on/off valve in the rectify a deviation system for strip steel Abstract:In this paper a new type hydraulic valve-high speed on/off valve is introduced.It has a good effect to take high speed on/off valve as a electricity-liquid transform element. Key words:hydraulic control;hydraulic conponets;electronagnetic valves
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