王 東 唐令波 唐雪梅 袁子厚 劉文健

(1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 湖北 武漢：430073 ；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

應(yīng)用于噴水織機(jī)的水壓數(shù)字閥設(shè)計(jì)及特性的研究

王 東1唐令波1唐雪梅1袁子厚1劉文健2

(1.武漢紡織大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 湖北 武漢：430073 ；2.武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430080)

數(shù)字閥是數(shù)字控制系統(tǒng)中的重要元件。結(jié)合噴水織機(jī)水壓系統(tǒng)的工作特性，設(shè)計(jì)了直控式數(shù)字閥，詳述了該閥的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)調(diào)節(jié)噴水流量的數(shù)字閥的動(dòng)態(tài)特性、流量特性進(jìn)行了仿真研究分析，其結(jié)果可為噴水織機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制提供參考。

直控?cái)?shù)字閥；動(dòng)態(tài)特性；噴水織機(jī)；仿真；數(shù)字閥

噴水織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)是應(yīng)用壓力水流高速引緯的方式，其主要工藝參數(shù)有水壓泵動(dòng)程、引緯壓力、噴射流量、噴射流速和時(shí)間、緯絲速度等。對(duì)噴水織機(jī)傳統(tǒng)的引緯噴射水壓系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，以使噴射水量、噴射壓力、噴射速度和噴射時(shí)間等參數(shù)達(dá)到數(shù)字化控制模式，從而提高引緯系統(tǒng)的工作性能，有利于織機(jī)裝備自動(dòng)化程度的發(fā)展。

目前噴水流量控制是通過(guò)調(diào)節(jié)限位螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以此使水壓泵柱塞位移的極限位置發(fā)生變化[1-2]。水量調(diào)節(jié)螺釘突出長(zhǎng)度愈短，柱塞位移愈大，則水流出流持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水量也愈大，對(duì)引緯穩(wěn)定性和引緯速度的提高有利，但水量調(diào)節(jié)螺釘?shù)耐怀鲩L(zhǎng)度也不宜過(guò)小，因?yàn)檎{(diào)節(jié)到一定程度后，在水泵活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙臂杠桿上的凸輪轉(zhuǎn)子將先撞擊到凸輪。此時(shí)，一方面水量調(diào)節(jié)螺釘就失去了作用，另一方面，轉(zhuǎn)子與凸輪沖擊太大，影響凸輪的壽命。

采用數(shù)字節(jié)流閥調(diào)節(jié)噴射流量和噴射時(shí)間，可以達(dá)到較高的控制精度和響應(yīng)速度。本文結(jié)合水壓數(shù)字節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性、流量特性進(jìn)行研究和分析。

1 數(shù)字閥的結(jié)構(gòu)及材料

1.1 結(jié)構(gòu)

數(shù)字閥具有價(jià)格低廉、閥口對(duì)污染不敏感及功耗小等特點(diǎn)[3]。水壓節(jié)流閥在系統(tǒng)中可用作調(diào)節(jié)流量、給泵加載等，圖1為直控式數(shù)字水壓節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 水壓數(shù)字節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

數(shù)字水壓節(jié)流閥的工作原理是，步進(jìn)電機(jī)按計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈動(dòng)信號(hào)而轉(zhuǎn)動(dòng)，固定其上的機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)與其同步旋轉(zhuǎn)，機(jī)械旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)滾珠傳送扭矩，帶動(dòng)閥芯一起同向旋轉(zhuǎn)。閥芯通過(guò)閥桿上的螺紋與機(jī)械聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)外框上的螺紋配合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)與密封并承擔(dān)數(shù)字閥工作時(shí)的液動(dòng)力。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)通過(guò)機(jī)械聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閥芯順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，閥芯將沿著軸向前進(jìn)或后退一個(gè)螺距單位長(zhǎng)度，相應(yīng)的，節(jié)流閥開(kāi)口度將會(huì)減小或增大一個(gè)螺距單位長(zhǎng)度。從而達(dá)到控制流量和流速的目的。

直線位移傳感器固定于機(jī)械聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)外框之上，其滑動(dòng)端通過(guò)一根滑竿與機(jī)械聯(lián)結(jié)機(jī)構(gòu)相聯(lián)，并保證其在閥芯軸向上與閥芯沒(méi)有相對(duì)位移。如此一來(lái)，位移傳感器就能真實(shí)的反映閥芯移動(dòng)的距離即節(jié)流閥開(kāi)口度了。每個(gè)控制周期結(jié)束時(shí)，控制閥芯自動(dòng)返回零位，以保證每個(gè)工作周期都從零位開(kāi)始，提高閥的重復(fù)精度。

1.2 材料

由于水介質(zhì)的腐蝕性，易導(dǎo)致控制閥材料銹蝕，從而大大降低零件強(qiáng)度及表面質(zhì)量，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)件卡死、閥的使用壽命下降等后果。因此，選擇與水介質(zhì)具有較好相容性的材料成為研制高性能水壓控制閥的關(guān)鍵問(wèn)題。所選擇的材料不僅要有較好的自潤(rùn)滑性能、較強(qiáng)的抗腐蝕性，而且應(yīng)當(dāng)具備水介質(zhì)中性能穩(wěn)定、良好的抗疲勞性能等特點(diǎn)[4]。

在水壓節(jié)流閥中，為防止腐蝕，閥體采用表面鍍鉻、鎳等工藝處理的奧氏體不銹鋼，閥芯和閥座采用耐蝕合金材料。

2 動(dòng)態(tài)模型建立

2.1 輸入信號(hào)

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這一部分可看作是比例環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的角位移輸入量：

θ=θsN

(1)

式中：θ為步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角位移；θs為步進(jìn)電機(jī)的步距角；N為信號(hào)發(fā)生器發(fā)出脈沖數(shù)。

2.2 閥芯的位移

步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)，閥芯與機(jī)械轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的外框構(gòu)成螺旋副，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)就把閥芯的旋轉(zhuǎn)量變成閥芯的軸向直線運(yùn)動(dòng)的位移量。

(2)

式中：xv為閥芯的位移；P為螺旋副的單位螺距；θ為步進(jìn)電機(jī)的角位移。

由于步進(jìn)電機(jī)的固有頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓閥的頻率，因此在動(dòng)態(tài)特性的近似分析中，可以把位移對(duì)脈沖數(shù)的傳遞函數(shù)寫(xiě)成：

(3)

式中：τ為步進(jìn)電機(jī)的步距。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的推力F

(4)

式中：η為電機(jī)的效率；P為螺旋副螺距；M為步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩，對(duì)于混合式步進(jìn)電機(jī)，在額定電壓下，其值正比于相電流Im。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)在額定電壓下工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出推力方程可近似表示為：

F=KeIm

(5)

式中：Ke為步進(jìn)電機(jī)的輸出推力系數(shù)。

其傳遞函數(shù)為比例環(huán)節(jié)：

(6)

2.4 節(jié)流閥的傳遞函數(shù)

節(jié)流閥工作時(shí)，閥芯運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

(7)

式中：F為步進(jìn)電機(jī)的電磁推力；m為閥芯和閥腔室中液體的總質(zhì)量；Bv為節(jié)流閥的粘性阻尼系數(shù)；Bt為瞬態(tài)液動(dòng)力阻尼系數(shù)；Ks為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度系數(shù)。

則閥芯位移對(duì)步進(jìn)電機(jī)的電磁推力的傳遞函數(shù)為：

(8)

式中：Be為液壓閥的綜合阻尼系數(shù)。

綜上各式，閥芯位移量對(duì)步進(jìn)電機(jī)輸入電流的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

(9)

考慮到檢測(cè)元件H(s)反饋系統(tǒng)[5]，得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

(10)

式中：H(s)為反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，檢測(cè)元件比例系數(shù)為Kd，H(s)=Kd。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的方框圖，分別見(jiàn)如圖2、圖3所示。

圖2 數(shù)字節(jié)流閥開(kāi)環(huán)系統(tǒng)方框圖

圖3 數(shù)字節(jié)流閥閉環(huán)系統(tǒng)方框圖

3 動(dòng)態(tài)仿真

利用Simulink進(jìn)行仿真，可得閉環(huán)和開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線分別見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)

圖5 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)

進(jìn)行頻率特性仿真，可得數(shù)字節(jié)流閥閉環(huán)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的Bode圖，分別見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 閉環(huán)系統(tǒng)的Bode圖

圖7 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的Bode圖

由仿真曲線可以看出，數(shù)字節(jié)流閥輸出的閥芯位移曲線具有振蕩性和一定的超調(diào)量，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量比閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量稍大，可見(jiàn)，閉環(huán)控制精度高于開(kāi)環(huán)控制。開(kāi)環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)的相位裕量γ為正相位裕量，增益裕量Kg約為55dB，均可滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

4 流量特性

由流體力學(xué)理論知，水流流經(jīng)薄壁小孔的流量特性方程為：

(11)

式中：A為過(guò)流面積；Δp為閥進(jìn)出口壓力差；ρ為水的密度；Cq為閥口流量系數(shù)，由節(jié)流口形狀及流體性質(zhì)等因素決定。

使用脈沖數(shù)代替節(jié)流閥開(kāi)口度，所選的步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.9°，為了直觀的顯示開(kāi)口度和流量的關(guān)系，將脈沖數(shù)換算成長(zhǎng)度值[6]。具體換算關(guān)系為：閥芯每旋轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)為N=360°/0.9°=400，而每轉(zhuǎn)過(guò)一圈，閥芯將移動(dòng)一個(gè)螺距長(zhǎng)度S=0.75mm。根據(jù)噴水織機(jī)射流壓力的調(diào)節(jié)范圍，作出兩種壓力下數(shù)字閥的流量特性，分別見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 壓力為0.3MPa時(shí)流量特性

圖9 壓力為1.5MPa時(shí)流量特性

從流量特性曲線看出，數(shù)字閥的流量特性是穩(wěn)定的。在壓力調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，閥芯開(kāi)口度對(duì)應(yīng)的流量可以滿(mǎn)足額定要求。隨著壓力的增大，相同的開(kāi)口度對(duì)應(yīng)的流量值也會(huì)隨之增大。

5 結(jié)語(yǔ)

由于閉環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是采用了反饋，因而使系統(tǒng)的響應(yīng)對(duì)外部干擾和內(nèi)部系統(tǒng)的參數(shù)變化均相當(dāng)不敏感，閉環(huán)控制精度高于開(kāi)環(huán)控制，可見(jiàn)，閉環(huán)控制的數(shù)字閥比開(kāi)環(huán)控制的更具優(yōu)勢(shì)。在噴水織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)水壓系統(tǒng)中，為使噴射流量等工藝參數(shù)達(dá)到較高的控制精度和響應(yīng)速度，采用閉環(huán)直接數(shù)字控制方式并使微機(jī)與數(shù)字控制策略相結(jié)合，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，提高織造機(jī)械的自動(dòng)化水平，以實(shí)現(xiàn)織機(jī)生產(chǎn)過(guò)程的智能化、高速化和信息化。

[1] 陳革，楊建成.紡織機(jī)械概論[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2011．

[2] 汪金福，孫雨芳.國(guó)外噴水織機(jī)[M]．北京：紡織工業(yè)出版社，1988．

[3] 趙曉燕.數(shù)字閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]．機(jī)床與液壓，2004，(4)：66-67．

[4] 劉家浚.材料磨損原理及其耐磨性[M]．北京：清華大學(xué)出版社，1993．

[5] 王春行．液壓伺服控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．

[6] 周棣.水壓數(shù)字節(jié)流閥的研究[D]．武漢：武漢紡織大學(xué),2009．

ResearchonDesignandCharacteristicsofWaterDigitalValveAppliedtoWaterJetLoom

Wang Dong1Tang Lingbo1Tang Xuemei1Yuan Zihou1Liu Wenjian2

(1.School of Mechanical Engineering，Wuhan Textile University, Wuhan 430073, Hubei;2.Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

The digital valve is a key unit in digital control system. Combined with the working characteristics of the water hydraulics of water jet loom, the direct controlled digital valve is designed. The structure and characteristics of the valve is also described in this paper. On this basis, the dynamic characteristics and the flow characteristics of the digital valve controlled water flow are studied by simulation analysis. The results can provide the reference for the realization of digital control in water jet loom.

direct controlled digital valve；dynamic characteristics；water jet loom; simulation; digital valve

李文英)

2017-11-01

2017-11-22

湖北省數(shù)字化紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題資助(DTL2016001,DTL2017008)

王 東(1963～)，男，博士，教授.E-mail：1983058575@qq.com.

TH137.5

A

1671-3524(2017)04-0023-04