高速开关阀的研制及其静动态特性的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.85MB 70 页 15积分

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摘要

随着机电液一体化的不断发展，电液比例控制已经成为现代工业技术的重要

组成部分。不但要求液压元件要有良好的性能，而且对控制系统也提出了新的要

求。本文通过国内外高速开关阀的应用研究和现有计算机辅助试验台的情况进行

收集，论证高速开关阀静动态特性，提出测试标准，从而为开发测试试验台提供

必要的技术参数。按要求对试验台进行机电液的综合设计。最后对一种通用螺纹

插装孔大流量高速开关阀进行研制并在试验台上测试。

文章首先对本课题国内外研究概况和发展趋势进行资料收集论证，提出本课

题的研究目的和意义；并且对高速开关阀静动态性能进行分析，得出在试验台上

的测试标准和各性能参数指标。再从高速开关阀在各种回路中的应用进行分析，

为进一步电气控制设计提供依据。

其次，对高速开关阀试验台进行硬件和软件设计。主要内容包括试验台电路

图设计、数字阀的放大电路设计、上位机编程、下位机 PLC 编程。并深入的研究

上位机与下位机的通讯协议和电器元件标准。

最后，结合实际应用研制出符合标准型螺纹插装孔的高速开关阀；分析计算

出阀的压差与流量的关系，并在试验台上进行测试试验。

通过上述整个数字阀的研制测试过程分析，为高速开关阀的性能提供良好的

测试平台，为研究类似测试系统提供参考依据。开阔液压比例控制系统设计思路

的基础上节约成本，实现高速开关阀的数字控制。

关键字：高速开关阀试验台；控制系统；静动态性能；液压仿真

ABSTRACT

Accompanly with the continuous development of the hydromechatronics

(mechatronics and hydraulics integration), the electro-hydraulic proportional control has

become one important part of the modern industrial technology. Which requires the

hydraulics component should have good performance, and brings more new

requirements for the control system. In this article, by studying the actual application of

the quick on-off digital valve internal and external, and collecting the data of the

computer assistant hydraulics system experiment, we’ll discuss the static & dynamic

character of the quick on-off digital valve, then build the test standard, find out the

necessary parameters for developping hydraulics test system on this valve. Design the

hydromechatronics system for the experiment equipment according to relevant

requirements. Then research the big flow quick on-off valve with general cartridge

cavity type and test it by the hydromechatronics system.

At first, we collected some datum about the internal & external current reseach

status and the future development trends for this subject, proposed the object and sense

of this study. Also, researched the static & dynamic character of the quick on-off digital

valve, to get the test standard and each performance parameters for the test system.

Then analysis the application of the quick on-off valve in all kinds of hydraulics circuit,

to supply the original basis for electrical control design.

Secondly, design the hardware and software for the quick on-off valve test system.

Which includes the schematic design for the test system, designing the signal

amplification circuit for the digital valve, programming for the supervisory computer,

programming for the subordinate computer. As well, further study the communication

protocol between the PC & PLC and the standard of electrical components.

At last, develop the quick on-off valve which matchs with the standard cartridge

cavity; analysis and calculate the relationship between the flow drop and flow, then

verify and validate it by the test system.

By the upper analysis on the whole digital valve development and test process, it

can supply good test platform for the quick on-off valve performance test, and supply

reference basis for similar test system research. Also cut down the cost based on

widening the tought for hydraulics proportional control system, and realize the digital

control on quick on-off valve.

Key words: Quick on-off Valve Test System; Control System; Static and Dynamic

Character; Hydaulics Simulation.

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................... 1

§1.1 课题研究的目的和意义......................................................................................1

§1.2 本领域国内外研究的动态和发展趋势..............................................................1

§1.2.1 高速开关阀概述 ........................................................................................... 1

§1.2.2 液压 CAT 试验台国内外发展现状 ............................................................. 5

§1.3 本课题研究的主要内容......................................................................................6

第二章高速开关阀的测试.............................................................................................7

§2.1 高速开关阀的测试标准......................................................................................7

§2.1.1 高速开关阀的静态测试标准 ....................................................................... 7

§2.1.2 高速开关阀的动态测试标准 ..................................................................... 13

§2.2 AMESim 仿真设计 ........................................................................................... 14

§2.2.1 仿真软件简介 ............................................................................................. 14

§2.2.2 比例控制系统的建模仿真 ......................................................................... 16

§2.3 高速开关阀在压力控制中的测试设计...........................................................20

§2.3 高速开关阀在往复运动中的测试设计...........................................................22

§2.4 高速开关阀在比例控制中的测试设计...........................................................23

§2.4 液压回路管道设计计算...................................................................................26

第三章高速开关阀试验台的硬件设计.........................................................................28

§3.1 电气系统的方案设计............................................................................................28

§3.1.1 控制系统的性能方案设计 ........................................................................ 28

§3.1.2 PLC 控制系统设计 .....................................................................................28

§3.1.3 触摸屏控制界面设计 ................................................................................ 30

§3.2 PWM 放大电路板的设计 ................................................................................... 32

§3.3 试验台接线电路设计.............................................................................................36

第四章高速开关阀试验台的上位机设计...................................................................41

§4.1 上位机与下位机接口设计................................................................................41

§4.1.1 上位机的主要实现的功能 ......................................................................... 41

§4.1.2 上位机与下位机通讯 ................................................................................. 41

§4.2 软件设计............................................................................................................44

第五章一种新型高速开关阀的研制...........................................................................51

§5.1 新型高速开关阀设计的依据................................................................................51

§5.2 新型高速开关阀设计及计算................................................................................51

§5.3 新型高速开关阀性能测试....................................................................................57

第六章总结与展望.......................................................................................................61

§6.1 工作总结...........................................................................................................61

§6.2 全文展望...........................................................................................................61

参考文献.........................................................................................................................63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................66

致谢.................................................................................................................................67

第一章绪论

§1.1 课题研究的目的和意义

随着机电液一体化的不断发展与进步，电液比例控制已经成为现代工业技术

的重要组成部分。同时也对电液控制提出了更高的要求，过去简单传统的开关控

制和开环比例控制系统已经不能满足现代工业的需求。更高精度，更高自动化程

度的闭环比例伺服控制系统越来越多的出现在人们身边。电液比例控制是指压力、

流量、位移、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成比例地跟踪

控制，降低了控制系统成本，调高了系统精度。电液比例控制的应用对先进工业

自动化做出了巨大的贡献[1-3]。

传统的电液控制系统一般为电液伺服阀控制系统或者比例阀控制系统。其用

的阀结构复杂,抗污染能力较差，加工成本高等特点[4],难以满足一般工业生产要求。

高速开关电磁阀由于结构简单，工作可靠，抗污染能力强，价格低廉，重复精度

高，操作简单等优点得到广泛的好评，高速开关阀的应用逐渐渗透于汽车、工程

机械、农业机械、航空航天等诸多方面[5-8]。

从目前来看，高速开关阀主要应用在小流量系统中，大流量高速开关阀往往

达不到系统的响应要求[9]。因此，需求大流量、高频响的高速开关阀来填补市场的

空缺。在良好的市场前景下，对原有高速开关阀的静态，动态特性分析，为以后

开发更高频响，更大流量的高速开关阀储备技术力量。

提高大流量数字阀的响应频率，可从材料，阀本身的结构设计，控制原理来

考虑。运用具有低材料密度 d、高饱和磁感应强度 Bs、高电阻率



、高磁导率μ、

低剩磁感应强度 Br、低矫顽力 HC的软磁合金材料，都可以提高高速开关阀的频响

时间，但这种材料往往加工精度要求高，价格昂贵[10-12]。本课题从电气控制的优

化入手对新型的高速开关阀的应用进行研究，具有现实的意义。并以此设计研发

出符合测试高速开关阀性能的 CAT (Computer Aded Testing)综合试验台。

§1.2 本领域国内外研究的动态和发展趋势

§1.2.1 高速开关阀概述

高速开关阀也就是脉宽调制式（Pulse Width Modulation 简称 PWM）数字阀，它是

根据给定脉冲信号来控制阀芯的开启与关闭情况[13]。最主要的两个参数为频率和

占空比τ，所谓占空比

Tt /



是指在一定的脉冲周期

下，脉冲信号的高电平时

高速开关数字阀的研制及其静动态特性的研究

间

与周期

的比值。可以改变脉冲频率或者占空比来调节阀的平均流量，从而实

现对系统流量、压力的比例控制。

高速开关阀的种类繁多，按照阀芯采用的结构主要可以分为球阀式、锥阀式、

圆柱滑阀式、喷嘴挡板阀式的高速开关阀。按照电磁材料的采用情况可以分为压

电式、超磁致伸缩式、电磁式高速开关阀，其中电磁式开关阀应用比较广泛[14]，

表 1-1 可以看出这三种数字阀的性能参数。

表 1-1 电磁材料高速开关阀性能参数

阀的类型

电磁式

压电式

超磁致伸缩式

响应频率

高（可达 200Hz）

较高（可达 500Hz）

很高（大于 1000Hz）

驱动性能

一般

好

发展现状

成熟

已经有研究

未展开规模研究

应用范围

广泛

一般

窄

价格因子

低

一般

高

（1）国内发展现状

我高速开关阀的开发研究工作起步相对较晚，经过了多年的跟踪国外研究，

努力拓展多方面合作和自主创新，液压数字阀取得飞速的发展，并在各个领域中

发挥着重要的作用[15]。

国内许多技术科研单位和高校都投入了这方面的研究。北京航天工业总公司、

北京钢铁研究总院、广州机床研究所、华中科技大学、浙江大学、浙江工业大学、

上海液压气动研究所、上海 704 所、上海液压气动研究所、重庆大学、湖南大学、

兰州理工大学、哈尔滨工业大学等都在开展数字阀的研究[16]。

其中贵州红林与美国 BKM 公司经过三年多的努力与合作，成功研制出 HSV 系

列电磁高速开关阀[17]。其产品样本资料提供的数据，阀的最高额定压力为 20Mpa；

最大流量为 9L/min；脉宽范围(占空比)为 20％～80％；关闭时间为 2ms；阀的开

启时间为 3ms；重复精度为±0.05ms。该系列产品体积小、重复性好、抗污染能力

强、可靠性高等优点，得到大家的一致好评,并引领高速电磁快关的的快速向前发

展。

广州机床研究所研制的增量式数字阀是采用步进电机进行控制。通过计算机

发出系列脉冲来控制步进电机的固定步距角，来改变阀芯的行程，控制阀口的开

度。以 SZY.F10B 数字溢流阀、SZY.F6B 数字先导溢流阀、84SZ.F10/68B 数字换

向阀、SZQ.F8/16 数字调速阀为代表投入使用。

无锡油泵油嘴研究所的谢云臣等电磁铁高速开关阀进行了研究，并设计出一

种盘式电磁铁开关阀[18]。他们重点分析了阀的工作电压与响应滞后时间的关系、

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摘要：

摘要随着机电液一体化的不断发展，电液比例控制已经成为现代工业技术的重要组成部分。不但要求液压元件要有良好的性能，而且对控制系统也提出了新的要求。本文通过国内外高速开关阀的应用研究和现有计算机辅助试验台的情况进行收集，论证高速开关阀静动态特性，提出测试标准，从而为开发测试试验台提供必要的技术参数。按要求对试验台进行机电液的综合设计。最后对一种通用螺纹插装孔大流量高速开关阀进行研制并在试验台上测试。文章首先对本课题国内外研究概况和发展趋势进行资料收集论证，提出本课题的研究目的和意义；并且对高速开关阀静动态性能进行分析，得出在试验台上的测试标准和各性能参数指标。再从高速开关阀在各种回路中的应用进行分...

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