数字比例阀先导级输出压力调节特性研究

　　引 言

　　为了研制数字比例阀，需要为主阀设计一个具有特殊性能的先导级。此先导级可以直接输入数字量信号，同时能够输出具有一定增益和线性度的压力。高速开关阀是一种数字开关元件，可以直接接受数字信号对流体的流量或压力进行脉幅、脉频、脉宽调制控制，可作为机电液一体化中计算机与液压机构间理想的接口元件。本文以高速开关阀组建的数字比例阀先导级为研究对象，在先导级的供油压力恒定的条件下，分析输入电流脉冲信号的脉幅、脉宽、脉频调制和先导级各油路液阻对先导级输出压力的影响。

　　1 先导级的工作原理

　　数字比例阀的先导级在供油压力恒定的条件下，电控单元输入系列电流脉冲信号，高电平时，其内部的高速开关阀开启，低电平时高速开关阀关闭。对脉冲信号进行脉宽调制(PWM)、脉频调制(PFM)、脉幅调制(PAM)、或者混合调制，高速开关阀按照已经调制好的脉冲信号进行规律的开关动作。由此，高速开关阀进油口、控制口和回油口之间组成了一个类似的A 型半桥，使先导级的输出压力随输入的电流脉冲信号的调节成线性比例变化。先导级的输出压力具有一定范围的波动，这种波动对主阀阀芯的精确位置控制是一有害因素，应该削弱压力波动，提高输出压力的线性度和增益。

　　2 先导级输出压力的数学模型

　　先导级的左右两路工作原理一样，现仅以左路为例来分析。

　　高速开关阀内电磁铁输出的电磁力为：

　　式中，电流系数K_i=iK_mc;i 为输入电流;K_mc为脉冲调制系数;F_em为最大输出电磁力。

　　对式(1)进行拉普拉斯变换，并整理得：

　　式中，F_p1为高速开关阀进油口油液压作用力;m_v为高速开关阀阀芯及阀腔油液质量;x_v为高速开关阀阀芯位移;B_v为阀芯与阀套间的粘性摩擦系数;B_f为瞬态液动力阻尼系数、K_f为稳态液动力刚度。

　　对式(3)进行拉普拉斯变换得：

　　高速开关阀进油口流量方程为：

　　式中，C_d为流量系数;W 为面积梯度;p₁为进油口压力;p₂为控制口压力;ρ 为油液密度。

　　高速开关阀回油口流量方程为：

　　式中，x_m为开关阀阀芯最大位移;p₃为回油口压力。

　　回油口油液经阻尼孔b回油箱，其流量方程为：