直控电反馈式微流量海水比例压力阀及其应用系统研究

　　0 引言

　　海(淡)水液压传动是流体传动及控制领域最新的研究方向之一,尤其近年来,随着海洋资源开发利用研究的发展,水压技术在海洋开发中的应用日益突出。20世纪末,深海极端环境中微生物的发现对地球生命起源提出了新的研究课题,目前在分子水平上研究深海微生物及其与环境关系的分子生物地球化学研究正逐渐成为国际上一个富有活力的新型交叉学科研究方向。开展深海微生物分子生物地球化学研究工作,除需要在保真状态下将深海海底微生物采集到船上来之外,还要做到在现场防污染和受控(可检测)条件下开展对此类微生物的分子生物地球化学研究。目前只有日、美、法等国研制成功了深海极端环境模拟培养试验装置,但由于缺少适用于海水介质的微小流量高压比例压力阀,国外的试验装置均采用步进电机带动的手动调压阀来实现深海极端环境微生物培养试验装置中的压力、流量控制,缺点是难以实现闭环控制,动态响应慢,可靠性低。本文研制了一种直控电反馈式微流量海水比例压力阀,以此设计了深海极端环境模拟平台的电液比例压力控制系统并进行了实验研究,实现了深海高压微流动流体动力环境的模拟。

　　1 比例压力阀结构原理

　　海(淡)水与矿物油相比,具有润滑性差、腐蚀性大、粘度低、汽化压力高等特点。因此阀的设计必须要针对海水介质的这些特殊的理化性能选择合理的结构型式及材料。图1为我们研制的直控电反馈式微流量海水比例压力阀结构原理图,我们采用了软密封的锥阀结构,以利用阀芯阀座的可靠的线密封实现微小流量的有效控制;锥阀的导向部位摩擦副的材料配对采用既抗腐蚀又耐磨的摩擦副即工程塑料对金属摩擦副以克服润滑性差等缺陷。

　　在工作状态时,比例压力阀与专用功率放大器和A/D转换器协同工作,阀的输出压力由压力传感器检测并反馈给比例放大器,经与输入的给定信号比较,由比例放大器对比例电磁铁提供一适量的电流信号,以校准阀的调整量,使之与电子放大器的输入信号相对应,从而实现压力的闭环自动控制。

　　2 理论分析

　　直控式比例压力阀的传递函数方框图如图2所示,此图将阀芯上的液动力表示为独立干扰。同时,由于采用了电流负反馈的功率放大器,表示电性能的一阶环节可以简化为比例环节。系统相应的开环传递函数为:

　　Ks1、Ks2分别为衔铁弹簧和阀芯右边弹簧刚度系数;

　　Ks=Ks1+Ks2+a0RGKqy为等效弹簧刚度系数;

　　Kse为综合弹簧刚度系数;

　　Ku为放大器电压放大系数;