2D高频数字阀在电液激振器的应用
振动试验作为现代工业的一项基础试验和产品研发的重要手段，广泛应用于许多重要的工程领域，振动试验的主要设备为振动台，其性能直接影响到振动试验结果的准确性。
电液振动台因激振力大、振幅大、低频性能好以及台面无磁场等优点而得到较为广泛的应用。随着现代工业，尤其航空航天等高科技领域的不断发展，对振动台工作频率范围及输出推力的要求也越来越高，提高工作频率范围及增大输出推力成为当务之急。电液伺服阀频响难以大范围突破，因而电液伺服振动台的工作频率范围难以进一步提高。目前推力50 kN以上电液式振动台工作频率已经达到1000Hz。但是关键的核心技术仍然掌握在国外大公司手中，这些公司对我国实行技术封锁。
在此介绍一种国内开发的新型高频激振器，它的核心是一高频激振阀（即2D高频数字换向阀）。
1. 2D数字换向阀的工作原理
2D阀具有双自由度，即阀心具有径向的旋转运动和轴向的直线运动，其工作原理图如图10所示。阀心上有4个台肩，每个台肩上沿周向均匀开设有沟槽，相邻沟槽的圆心角为口，第1、3个台肩沟槽的位置相同，第2、4个台肩沟槽的位置相同，相邻台肩上的沟槽相互错位，错位角度为θ/2，阀心由伺服电动机驱动旋转，使阀心沟槽与阀套上窗口相配合的阀口面积大小成周期性变化，由于相邻台肩上的沟槽相互错位，因而使进出口两个通道的流量大小及方向以相位差为180°发生周期性的变化，以达到换向的目的。当阀心在转动过程中位于图10 (a)所示的位置时，Ps口和P1口沟通，P2口和P0口沟通；当阀心旋转过一定角度(如θ/2)处于图10 (b)所示位置时，Ps口和P2口沟通，P1口和P0口沟通。即阀心在伺服电动机驱动下旋转，Ps口周期性地和P2口、P1口沟通。2D阀台肩上的沟槽与阀套上窗口构成的面积除因阀心旋转发生周期性变化外，还可通过阀心的轴向运动使阀口从零（阀口完全关闭）到最大实现连续控制。因而，可由另一伺服电动机通过偏心机构驱动阀心作轴向运动，从而改变周期性变化阀口面积的大小，进而控制2D阀的流量输出。
2D换向阀的截面结构图如图11所示，阀心沟槽数与阀套窗口数相等，这种结构形式称为全开口型配合。2D换向阀的工作频率，(Hz)为
F=nZ/60 (8-1)
 式中；n为阀心的旋转转速，r/min；Z为阀心沟槽每转与阀套窗口之间的沟通次数（即阀心沟槽数）。
采用传统滑阀结构的换向阀，易产生一些故障，其中阀心卡紧是液压换向阀最常见的。换向的频率也因受到阀心运动惯性的影响，一直无法得到有效的提高。从式( 8-1)可知，2D数字换向阀换向频率仅与阀心的转速和阀心沟槽数有关，同时提高两项参数或单独提高其中的任何一个都能提高换向频率。由于阀心为细长结构，转动惯量很小，又处于液压油的很好润滑状态中，因而容易提高阀心的旋转速度，同时提高阀心沟槽数也较容易，这样有利于得到很高的频率。旋转式换向也从根本上避免了阀心卡紧现象。
2．阀套窗口、阀心沟槽数Z的确定
阀心以角速度∞旋转时，阀套窗口与阀心沟槽的油液流通宽度变化情况如图12所示，阀套窗口与阀心沟槽轴向的形状均为矩形，则
Av=Zxvyv (8-2)
式中：Av为阀心沟槽的油液导通面积，m2；xv为阀心轴向移动距离，m；yv为阀套窗口与阀心沟槽的导通宽度，m。
根据阀套与阀心接触宽度yv的变化(0～yvmax，yvmax～0)位置关系，得
Θ0=2π/4Z (8-3)
阀心沟槽油液导通的最大面积为
Amax=Zxmax2Rsin[θ0/2] (8-4)
式中：θ0为阀心沟槽宽所对应的圆心角；R为阀心半径，m。
由式(8-4)求得最大流通面积与阀心沟槽数的关系，当Z≥6时，Amax已基本不变化，此时流通宽度与圆周弧长之比已接近1/4，因此Z的取值至少为6。
3．2D阀的数学模型
当阀心旋转的角度耐在[0、4θ0]内变化时，第1个台肩的阀心与阀套接触宽度变化的分段函数为
而与之相邻的第2个台肩阀心与阀套接触宽度Y2变化情况则相反，在[0、2θ0]时为0，在[2θ0、4θ0]时导通，第3、4个台肩的变化与第1、2个台肩相同。
容易得到一个周期内油液流通面积的变化情况，如式(8-6)，在阀心回转一周内其他阶段的变化以此类推，所以，油液流通面积在理论上有严格的周期性。如图13所示，面积的变化曲线非常接近参考的正弦波形曲线。
为考察油液流通面积与参考正弦波形曲线面积的误差，设
e=[(A-Ay)/Ay]×100% （8-7）
式中；e为相对误差；Ay为参考正弦波形所对应的面积值。
Z=8时，一个周期内相对误差的变化如图14所示，考虑到流量变化的连续性，实际的流量变化最大误差还应更小。
式(86)表明，在[0、4θ0]内，流通面积的变化是非线性的，需对其进行线性化处理。采用傅里叶变换，得式(8-5)的傅里叶变换函数为
显然，k=2、3…时，高次谐波的幅值仅为k=1时的1/9、1/25···直至0，衰减迅速，因此可用基波分量代替阀心与阀套接触面积变化的分段函数，即取k=1，得
式(8-9)表明面积傅里叶变换的基波是一个与Z相关的正弦函数，周期为4θ0，该波形即为阀的输入信号，其周期即为阀的换向周期。当曲为常值时，不管阀心转速大小如何变化，输入信号始终为正弦波形；而当曲为按一定规律发生变化时(如xv=Bsinω1t)，输入信号的波形将发生变化。反之，如果能对所需要的信号进行幅值、频率和平均值分解，就能对分解的信号实行独立控制，以满足所需信号。
4．小结
(1) 2D阀的结构简单，换向可靠，抗污染能力强且易于控制，新型结构有利于得到高的频率，适用于各种类型的液压式高速换向场合，如高频激振器等。
(2)单独配置一个伺服电动机通过偏心机构驱动阀心作轴向运动，以改变周期性变化阀口面积的大小，进而控制2D阀的流量输出。
(3)采用直接数字控制，具有重复精度高、无滞环的优点。输入波形在理论上有严格的周期性且按正弦规律变化。 |
