開關(guān)閥

水壓直驅(qū)式高速開關(guān)閥采用音圈電機作為作動器，在結(jié)構(gòu)上具有簡單小巧、質(zhì)量輕等特點，在控制上具有響應(yīng)速度快、控制精度高以及力控制精確性高等優(yōu)點，同時還具有使用周期長、運動頻率高等特點，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.音圈電機與開關(guān)閥閥芯通過螺釘固連在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)音圈電機一開關(guān)閥閥芯的直接快速驅(qū)動控制，降低音圈電機動子和閥芯之間的振動沖擊噪聲。

水壓高速開關(guān)閥閥芯采用分體平衡結(jié)構(gòu)，即主閥芯和補償密封活塞通過鎖緊螺母壓緊，鎖緊螺母和補償密封活塞之間由密封圈進行密封，保證流經(jīng)閥口的介質(zhì)不泄漏，最終在鎖緊螺母的連接作用下使主閥芯和補償密封活塞共同構(gòu)成水壓高速開關(guān)閥閥芯.該分體閥芯平衡結(jié)構(gòu)能夠保證水壓高速開關(guān)閥在關(guān)閉狀態(tài)下閥芯軸向面上保持壓力平衡，使閥芯不受壓力的作用，從而降低音圈電機的推拉力需求;同時在開啟時保證作用在水壓高速開關(guān)閥閥芯上的壓力能夠與作用在補償密封活塞上的壓力相抵消。

所研制的水壓高速開關(guān)閥具有流量大、響應(yīng)速度快等顯著特點，在開啟關(guān)閉過程中能夠保證作用在閥芯上的壓力平衡，同時可實現(xiàn)水壓高速開關(guān)閥的快速開啟和關(guān)閉.為了增強系統(tǒng)的抗污染能力，開關(guān)閥閥芯和閥座之間采用錐面密封結(jié)構(gòu)，大大提高了閥口的密封可靠性 水壓直驅(qū)式高速開關(guān)閥工作原理如圖2所示.當(dāng)水壓高速開關(guān)閥關(guān)閉時(如圖2(a)所示)，即音圈電機推動閥芯向下運動，流經(jīng)進口的高壓介質(zhì)作用在閥芯的上端周向面上，閥芯在軸向方向不受介質(zhì)壓力作用，在音圈電機推力的作用下閥芯和閥座能夠緊密關(guān)閉;當(dāng)水壓高速開關(guān)閥向上開啟時(如圖2 (b)所示)，即音圈電機拉動閥芯向上運動，此時音圈電機只需克服閥芯上下兩端密封圈的摩擦力即可，使高速開關(guān)閥在音圈電機拉力的作用下快速向上開啟;當(dāng)開關(guān)閥開啟后，由于閥芯下端密封直徑和閥座與閥口上端密封處的直徑相等，即閥芯下端A1環(huán)形作用面積與閥口處的A2軸向投影作用面積相等，因此流經(jīng)閥口的高壓介質(zhì)作用在閥芯A1環(huán)形作用面積和A2軸向投影作用面積上的液壓力大小相等，在音圈電機拉力的作用下高速開關(guān)閥閥口始終開啟，此時當(dāng)開關(guān)閥再次關(guān)閉時在音圈電機向下的推力作用下僅需克服密封圈的摩擦力即可，從而降低了音圈電機所需推力要求，保證水壓高速開關(guān)閥在音圈電機推拉力的作用下快速開啟、關(guān)閉，并且密封可靠。

為了實現(xiàn)水壓直驅(qū)式高速開關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理，在AMESim仿真軟件中構(gòu)建了水壓直驅(qū)式高速開關(guān)閥的AMESim仿真模型，如圖3所示.其中，設(shè)置壓力源大小為8MPa，即高速開關(guān)閥進口壓力為恒定值，其中彈簧力起到閥芯的預(yù)緊作用，可忽略其對高速開關(guān)閥動態(tài)性能的影響.將在MATLAB/Simulink中求得的音圈電機數(shù)學(xué)模型與AMESim進行聯(lián)合仿真，使水壓高速開關(guān)閥在音圈電機推拉力的作用下能夠快速開啟、關(guān)閉.

在水壓直驅(qū)式高速開關(guān)閥AMESim仿真模型的基礎(chǔ)上，對開關(guān)閥的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)置，開展開關(guān)閥的動態(tài)性能仿真研究.通過改變開關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的大小，分析高速開關(guān)閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)(如錐面閥芯直徑、錐面閥芯錐角以及閥套孔直徑等)對開關(guān)閥動態(tài)響應(yīng)性能的影響，實現(xiàn)高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，從而提高水壓高速開關(guān)閥的動態(tài)性能。