2D高频数字换向阀

　　引言

　　振动试验作为现代工业的一项基础试验和产品研发的重要手段,广泛应用于许多重要的工程领域,振动试验的主要设备为振动台,其性能直接影响到振动试验结果的准确性,因此,振动台激振技术水平的高低关系到这些领域的技术进步,同时也是一个国家的工业技术发展水平的重要标志。

　　电液振动台因激振力大、振幅大、低频性能好以及台面无磁场等优点而得到较为广泛的应用。随着现代工业,尤其航空航天等高科技领域的不断发展,对振动台的工作频率范围及输出推力的要求也越来越高,提高工作频率范围及增大输出推力成为当务之急。很多学者对此进行了深入的研究,通过改进电液式振动台伺服阀的频响及振动控制技术^[1~3],电液激振在保持大推力特点同时激振频率有大的提高。但是,由于电液伺服阀频响难以大范围突破,因而电液伺服振动台的工作频率范围难以进一步提高。目前推力50 kN以上电液式振动台工作频率已经达到1000 Hz^[4]。但是关键的核心技术仍然掌握在国外大的公司手中,并对我国实行技术封锁。

　　阮健研究小组自20世纪90年代开始,先后研制出了多种2D数字阀,形成较为完整的2D阀设计方法^[5~7]。本文提出了一种新型高频激振器,它的核心是一高频激振阀(即2D高频数字换向阀),并对其结构、特性作相关的分析。

　　1 2D数字换向阀的工作原理

　　2D阀具有双自由度,即阀芯具有径向的旋转运动和轴向的直线运动,其工作原理如图1所示。阀芯上有4个台肩,每个台肩上沿周向均匀开设有沟槽,相邻沟槽的圆心角为H,第1、3个台肩沟槽的位置相同,第2、4个台肩沟槽的位置相同,相邻台肩上的沟槽相互错位,错位角度为H/2。阀芯由伺服电机驱动旋转,使得阀芯沟槽与阀套上的窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化,由于相邻台肩上的沟槽相互错位,因而使得进出口的两个通道的流量大小及方向以相位差为180b发生周期性的变化,以达到换向的目的。当阀芯在转动过程中位于图1a所示的位置时,P_S口和P₁口沟通,P₂口和P0口沟通;当阀芯旋转过一定角度(如H/2)处于图1b所示位置时,PS口和P₂口沟通,P₁口和P₀口沟通。即阀芯在伺服电机驱动下旋转,P_S口周期性地和P₂口、P₁口沟通。2D阀台肩上的沟槽与阀套上窗口构成的面积除因阀芯旋转发生周期性变化外,还可通过阀芯的轴向运动使阀口从零(阀口完全关闭)到最大实现连续控制,因而,可由另一伺服电机通过偏心机构驱动阀芯作轴向运动,从而改变周期性变化阀口面积的大小,进而控制2D阀的流量输出。