2D高頻數字閥在電液激振器的應用

振動試驗作為現代工業的一項基礎試驗和產品研發的重要手段，廣泛應用于許多重要的工程領域，振動試驗的主要設備為振動臺，其性能直接影響到振動試驗結果的準確性。

電液振動臺因激振力大、振幅大、低頻性能好以及臺面無磁場等優點而得到較為廣泛的應用。隨著現代工業，尤其航空航天等高科技領域的不斷發展，對振動臺工作頻率范圍及輸出推力的要求也越來越高，提高工作頻率范圍及增大輸出推力成為當務之急。電液伺服閥頻響難以大范圍突破，因而電液伺服振動臺的工作頻率范圍難以進一步提高。目前推力50 kN以上電液式振動臺工作頻率已經達到1000Hz。但是關鍵的核心技術仍然掌握在國外大公司手中，這些公司對我國實行技術封鎖。

在此介紹一種國內開發的新型高頻激振器，它的核心是一高頻激振閥（即2D高頻數字換向閥）。

1. 2D數字換向閥的工作原理

2D閥具有雙自由度，即閥心具有徑向的旋轉運動和軸向的直線運動，其工作原理圖如圖10所示。閥心上有4個臺肩，每個臺肩上沿周向均勻開設有溝槽，相鄰溝槽的圓心角為口，第1、3個臺肩溝槽的位置相同，第2、4個臺肩溝槽的位置相同，相鄰臺肩上的溝槽相互錯位，錯位角度為θ/2，閥心由伺服電動機驅動旋轉，使閥心溝槽與閥套上窗口相配合的閥口面積大小成周期性變化，由于相鄰臺肩上的溝槽相互錯位，因而使進出口兩個通道的流量大小及方向以相位差為180°發生周期性的變化，以達到換向的目的。當閥心在轉動過程中位于圖10 (a)所示的位置時，Ps口和P1口溝通，P2口和P0口溝通；當閥心旋轉過一定角度(如θ/2)處于圖10 (b)所示位置時，Ps口和P2口溝通，P1口和P0口溝通。即閥心在伺服電動機驅動下旋轉，Ps口周期性地和P2口、P1口溝通。2D閥臺肩上的溝槽與閥套上窗口構成的面積除因閥心旋轉發生周期性變化外，還可通過閥心的軸向運動使閥口從零（閥口完全關閉）到最大實現連續控制。因而，可由另一伺服電動機通過偏心機構驅動閥心作軸向運動，從而改變周期性變化閥口面積的大小，進而控制2D閥的流量輸出。

2D換向閥的截面結構圖如圖11所示，閥心溝槽數與閥套窗口數相等，這種結構形式稱為全開口型配合。2D換向閥的工作頻率，(Hz)為

                      F=nZ/60                     (8-1)     

式中；n為閥心的旋轉轉速，r/min；Z為閥心溝槽每轉與閥套窗口之間的溝通次數（即閥心溝槽數）。

采用傳統滑閥結構的換向閥，易產生一些故障，其中閥心卡緊是液壓換向閥最常見的。換向的頻率也因受到閥心運動慣性的影響，一直無法得到有效的提高。從式( 8-1)可知，2D數字換向閥換向頻率僅與閥心的轉速和閥心溝槽數有關，同時提高兩項參數或單獨提高其中的任何一個都能提高換向頻率。由于閥心為細長結構，轉動慣量很小，又處于液壓油的很好潤滑狀態中，因而容易提高閥心的旋轉速度，同時提高閥心溝槽數也較容易，這樣有利于得到很高的頻率。旋轉式換向也從根本上避免了閥心卡緊現象。

2．閥套窗口、閥心溝槽數Z的確定

閥心以角速度∞旋轉時，閥套窗口與閥心溝槽的油液流通寬度變化情況如圖12所示，閥套窗口與閥心溝槽軸向的形狀均為矩形，則

                   A_v=Zx_vy_v                      (8-2)

式中：A_v為閥心溝槽的油液導通面積，m²；x_v為閥心軸向移動距離，m；y_v為閥套窗口與閥心溝槽的導通寬度，m。

根據閥套與閥心接觸寬度y_v的變化(0～y_vmax，y_vmax～0)位置關系，得

                        Θ₀=2π/4Z                   (8-3)

閥心溝槽油液導通的最大面積為

                  A_max=Zx_max2Rsin[θ₀/2]            (8-4)

式中：θ₀為閥心溝槽寬所對應的圓心角；R為閥心半徑，m。

由式(8-4)求得最大流通面積與閥心溝槽數的關系，當Z≥6時，A_max已基本不變化，此時流通寬度與圓周弧長之比已接近1/4，因此Z的取值至少為6。

3．2D閥的數學模型

當閥心旋轉的角度耐在[0、4θ₀]內變化時，第1個臺肩的閥心與閥套接觸寬度變化的分段函數為

          

而與之相鄰的第2個臺肩閥心與閥套接觸寬度Y2變化情況則相反，在[0、2θ₀]時為0，在[2θ₀、4θ₀]時導通，第3、4個臺肩的變化與第1、2個臺肩相同。

容易得到一個周期內油液流通面積的變化情況，如式(8-6)，在閥心回轉一周內其他階段的變化以此類推，所以，油液流通面積在理論上有嚴格的周期性。如圖13所示，面積的變化曲線非常接近參考的正弦波形曲線。

         

為考察油液流通面積與參考正弦波形曲線面積的誤差，設

                       e=[(A-A_y)/A_y]×100%                （8-7）

式中；e為相對誤差；A_y為參考正弦波形所對應的面積值。

Z=8時，一個周期內相對誤差的變化如圖14所示，考慮到流量變化的連續性，實際的流量變化最大誤差還應更小。

式(86)表明，在[0、4θ₀]內，流通面積的變化是非線性的，需對其進行線性化處理。采用傅里葉變換，得式(8-5)的傅里葉變換函數為

顯然，k=2、3…時，高次諧波的幅值僅為k=1時的1/9、1/25···直至0，衰減迅速，因此可用基波分量代替閥心與閥套接觸面積變化的分段函數，即取k=1，得

式(8-9)表明面積傅里葉變換的基波是一個與Z相關的正弦函數，周期為4θ₀，該波形即為閥的輸入信號，其周期即為閥的換向周期。當曲為常值時，不管閥心轉速大小如何變化，輸入信號始終為正弦波形；而當曲為按一定規律發生變化時(如xv=Bsinω₁t)，輸入信號的波形將發生變化。反之，如果能對所需要的信號進行幅值、頻率和平均值分解，就能對分解的信號實行獨立控制，以滿足所需信號。

4．小結

(1) 2D閥的結構簡單，換向可靠，抗污染能力強且易于控制，新型結構有利于得到高的頻率，適用于各種類型的液壓式高速換向場合，如高頻激振器等。

(2)單獨配置一個伺服電動機通過偏心機構驅動閥心作軸向運動，以改變周期性變化閥口面積的大小，進而控制2D閥的流量輸出。

(3)采用直接數字控制，具有重復精度高、無滯環的優點。輸入波形在理論上有嚴格的周期性且按正弦規律變化。