2D高頻數(shù)字閥在電液激振器的應(yīng)用

振動(dòng)試驗(yàn)作為現(xiàn)代工業(yè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)試驗(yàn)和產(chǎn)品研發(fā)的重要手段，廣泛應(yīng)用于許多重要的工程領(lǐng)域，振動(dòng)試驗(yàn)的主要設(shè)備為振動(dòng)臺(tái)，其性能直接影響到振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

電液振動(dòng)臺(tái)因激振力大、振幅大、低頻性能好以及臺(tái)面無磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)而得到較為廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代工業(yè)，尤其航空航天等高科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)振動(dòng)臺(tái)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(dāng)務(wù)之急。電液伺服閥頻響難以大范圍突破，因而電液伺服振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍難以進(jìn)一步提高。目前推力50 kN以上電液式振動(dòng)臺(tái)工作頻率已經(jīng)達(dá)到1000Hz。但是關(guān)鍵的核心技術(shù)仍然掌握在國外大公司手中，這些公司對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖。

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

1. 2D數(shù)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向的直線運(yùn)動(dòng)，其工作原理圖如圖10所示。閥心上有4個(gè)臺(tái)肩，每個(gè)臺(tái)肩上沿周向均勻開設(shè)有溝槽，相鄰溝槽的圓心角為口，第1、3個(gè)臺(tái)肩溝槽的位置相同，第2、4個(gè)臺(tái)肩溝槽的位置相同，相鄰臺(tái)肩上的溝槽相互錯(cuò)位，錯(cuò)位角度為θ/2，閥心由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，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(tái)肩上的溝槽相互錯(cuò)位，因而使進(jìn)出口兩個(gè)通道的流量大小及方向以相位差為180°發(fā)生周期性的變化，以達(dá)到換向的目的。當(dāng)閥心在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中位于圖10 (a)所示的位置時(shí)，Ps口和P1口溝通，P2口和P0口溝通；當(dāng)閥心旋轉(zhuǎn)過一定角度(如θ/2)處于圖10 (b)所示位置時(shí)，Ps口和P2口溝通，P1口和P0口溝通。即閥心在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，Ps口周期性地和P2口、P1口溝通。2D閥臺(tái)肩上的溝槽與閥套上窗口構(gòu)成的面積除因閥心旋轉(zhuǎn)發(fā)生周期性變化外，還可通過閥心的軸向運(yùn)動(dòng)使閥口從零（閥口完全關(guān)閉）到最大實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。因而，可由另一伺服電動(dòng)機(jī)通過偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥心作軸向運(yùn)動(dòng)，從而改變周期性變化閥口面積的大小，進(jìn)而控制2D閥的流量輸出。

2D換向閥的截面結(jié)構(gòu)圖如圖11所示，閥心溝槽數(shù)與閥套窗口數(shù)相等，這種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；Z為閥心溝槽每轉(zhuǎn)與閥套窗口之間的溝通次數(shù)（即閥心溝槽數(shù)）。

采用傳統(tǒng)滑閥結(jié)構(gòu)的換向閥，易產(chǎn)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(yùn)動(dòng)慣性的影響，一直無法得到有效的提高。從式( 8-1)可知，2D數(shù)字換向閥換向頻率僅與閥心的轉(zhuǎn)速和閥心溝槽數(shù)有關(guān)，同時(shí)提高兩項(xiàng)參數(shù)或單獨(dú)提高其中的任何一個(gè)都能提高換向頻率。由于閥心為細(xì)長結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，又處于液壓油的很好潤滑狀態(tài)中，因而容易提高閥心的旋轉(zhuǎn)速度，同時(shí)提高閥心溝槽數(shù)也較容易，這樣有利于得到很高的頻率。旋轉(zhuǎn)式換向也從根本上避免了閥心卡緊現(xiàn)象。

2．閥套窗口、閥心溝槽數(shù)Z的確定

閥心以角速度∞旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dǎo)通面積，m²；x_v為閥心軸向移動(dòng)距離，m；y_v為閥套窗口與閥心溝槽的導(dǎo)通寬度，m。

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

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

閥心溝槽油液導(dǎo)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(duì)應(yīng)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(shù)的關(guān)系，當(dāng)Z≥6時(shí)，A_max已基本不變化，此時(shí)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(shù)學(xué)模型

當(dāng)閥心旋轉(zhuǎn)的角度耐在[0、4θ₀]內(nèi)變化時(shí)，第1個(gè)臺(tái)肩的閥心與閥套接觸寬度變化的分段函數(shù)為

          

而與之相鄰的第2個(gè)臺(tái)肩閥心與閥套接觸寬度Y2變化情況則相反，在[0、2θ₀]時(shí)為0，在[2θ₀、4θ₀]時(shí)導(dǎo)通，第3、4個(gè)臺(tái)肩的變化與第1、2個(gè)臺(tái)肩相同。

容易得到一個(gè)周期內(nèi)油液流通面積的變化情況，如式(8-6)，在閥心回轉(zhuǎn)一周內(nèi)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(yán)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(shè)

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

式中；e為相對(duì)誤差；A_y為參考正弦波形所對(duì)應(yīng)的面積值。

Z=8時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)相對(duì)誤差的變化如圖14所示，考慮到流量變化的連續(xù)性，實(shí)際的流量變化最大誤差還應(yīng)更小。

式(86)表明，在[0、4θ₀]內(nèi)，流通面積的變化是非線性的，需對(duì)其進(jìn)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(shù)為

顯然，k=2、3…時(shí)，高次諧波的幅值僅為k=1時(shí)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(shù)，即取k=1，得

式(8-9)表明面積傅里葉變換的基波是一個(gè)與Z相關(guān)的正弦函數(shù)，周期為4θ₀，該波形即為閥的輸入信號(hào)，其周期即為閥的換向周期。當(dāng)曲為常值時(shí)，不管閥心轉(zhuǎn)速大小如何變化，輸入信號(hào)始終為正弦波形；而當(dāng)曲為按一定規(guī)律發(fā)生變化時(shí)(如xv=Bsinω₁t)，輸入信號(hào)的波形將發(fā)生變化。反之，如果能對(duì)所需要的信號(hào)進(jìn)行幅值、頻率和平均值分解，就能對(duì)分解的信號(hào)實(shí)行獨(dú)立控制，以滿足所需信號(hào)。

4．小結(jié)

(1) 2D閥的結(jié)構(gòu)簡單，換向可靠，抗污染能力強(qiáng)且易于控制，新型結(jié)構(gòu)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(chǎng)合，如高頻激振器等。

(2)單獨(dú)配置一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)通過偏心機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥心作軸向運(yùn)動(dòng)，以改變周期性變化閥口面積的大小，進(jìn)而控制2D閥的流量輸出。

(3)采用直接數(shù)字控制，具有重復(fù)精度高、無滯環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。輸入波形在理論上有嚴(yán)格的周期性且按正弦規(guī)律變化。