SMC比例閥電子技術的基礎知識

SMC比例閥電子技術的基礎知識

　　SMC比例閥也有稱低壓閥，是相對中壓閥而言的，標準名稱是家用瓶裝液化石油氣調壓器，它應用于千家萬戶，且對我們的生命安全息息相關。
　　SMC比例閥是通過調節，將進口壓力減至某一需要的出口壓力，并依靠介質本身的能量，使出口壓力自動保持穩定的閥門。
　　從流體力學的觀點看，SMC比例閥是一個局部阻力可以變化的節流元件，即通過改變節流面積，使流速及流體的動能改變，造成不同的壓力損失，從而達到減壓的目的。
　　SMC比例閥根據輸出壓力和流量分為低壓閥、中壓閥和高壓閥。
　　低壓閥—公稱壓力PN 小于1.6MPa的閥門（JYT-0.6表示每小時氣流量≤0.6立方）。
　　中壓閥—公稱壓力PN 2.5~6.4MPa的閥門（額定流量≥0.8立方）。
　　高壓閥—公稱壓力PN10.0~80.0MPa的閥門。
　　SMC比例閥廣泛應用在各種液壓系統中，它性能的好壞對整個液壓系統的性能指標影響較大。因此該文在分析直動式和先導式SMC比例閥工作原理的基礎上，運用液壓主流仿真軟件AMESim建立SMC比例閥仿真模型。所建立的模型可以用于SMC比例閥的靜動態特性分析，為SMC比例閥的設計與優化提供參考。在液壓系統中經常有單泵多執行器回路，當某個執行器需要一個比較低的工作壓力（該壓力低于泵的供油壓力）就要用到SMC比例閥[1]。SMC比例閥在這些系統中往往起著關鍵的作用，其性能的好壞對整個液壓系統的性能指標影響較大。SMC比例閥根據調節性能的不同，可以分為定差SMC比例閥、定值SMC比例閥以及定比SMC比例閥，目前用的最為廣泛的SMC比例閥為定值SMC比例閥。因此選用定值SMC比例閥作為研究對象來討論其仿真模型的創建方法，為進一步的分析SMC比例閥的靜動態特性提供基礎，并為閥的設計與優化提供參考。

SMC比例閥電子技術的基礎知識
　　根據結構和工作原理的不同定值SMC比例閥可以分為直動式SMC比例閥和先導式SMC比例閥[2]。兩種類型的SMC比例閥對應的建模方法差異較大，下面從閥的結構特點和工作原理著手，運用AMESim軟件進行對應模型的創建。
　　SMC比例閥的結構示意圖如圖1所示，閥芯在調壓彈簧的作用下處于最左端位置，進油口和出油口相連通，此時SMC比例閥口h處于最大狀態，起不到減壓的作用，進口壓力和出口壓力相等。出口油液經過阻尼孔a對閥芯形成一個向右的液壓力，其值為p2A。當出口壓力增大，滿足p2A＞F（其中F為彈簧的調定壓力）時，閥芯右移，SMC比例閥口h被關小，液壓油流過閥口的阻力增加，SMC比例閥起作用。經過一個過渡過程后，閥芯會穩定在某一位置上，在不計其他阻力的前提下，閥芯可以認為僅受到液壓力和彈簧力，且兩者相平衡。此時出口壓力p2將基本穩定在一個確定值（該值是一個與彈簧調定壓力相對應的值），且該值比p1小。
　　SMC比例閥的建模方法可以歸納為兩類，第一類方法是直接運用軟件中的標準液壓庫HYD的現存的模型，如圖2所示。可以選用RV003、RV004模型作為SMC比例閥的仿真模型，對SMC比例閥的主要參數如調整壓力、最大壓力等進行設置，并將其放入具體的回路中就可進行仿真以獲得相關特性。如圖3所示為研究SMC比例閥特性的簡單仿真回路。將元件1的輸出壓力設為20 bar，元件2的調整壓力和最大壓力設為10 bar和11 bar，元件3的壓力在10 s內從0線性增大到14 bar，進行仿真后可以得到圖4所示的SMC比例閥的流量壓降特性曲線。分析該曲線可以發現當SMC比例閥的出口壓力在10～11 bar之間，通過SMC比例閥的流量基本不變，SMC比例閥起到了減壓作用。當出口壓力大于11 bar時，經過SMC比例閥的流量為0，說明此時SMC比例閥已經關閉。當出口壓力小于10 bar時，SMC比例閥不起減壓作用。如果考慮SMC比例閥閥芯所受的摩擦力，通過設置相應的參數就可得到如圖5所示的SMC比例閥的死區特性，可以看出SMC比例閥開啟和關閉時不同的流量壓力特性曲線。
　　SMC比例閥模型創建的第二類方法是根據閥的工作原理綜合應用軟件中的標準液壓庫HYD、機械庫以及液壓元件設計庫HCD來搭建。如圖6所示為搭建的滑閥式直動SMC比例閥仿真模型，通過合理的設置參數，運行仿真后可以得到圖7所示的節流閥入口處的壓力曲線。從該曲線可以看出在0～0.2 s這個時間段，SMC比例閥出口處的壓力出現超調現象，整個液壓系統處于調節狀態。之后壓力的輸出基本恒定，但有一個下降和上升的過程，是因為節流閥的控制信號設置引起的，能較好的反映出SMC比例閥的工作狀況。利用圖6所示的模型，通過修改能影響SMC比例閥特性的主要參數（如阻尼孔徑、調壓彈簧剛度等），探尋這些參數對閥的特性的影響規律，從而指導SMC比例閥的設計。
　　SMC比例閥相對直動式SMC比例閥性能更好，應用也更為廣泛[3]。它主要是利用液壓油經過縫隙時的液阻減壓效應，其工作原理圖如圖8所示。系統中的壓力油從SMC比例閥的p1口（進油口）流入，然后通過減壓縫隙h后，再從閥的p2口（出油口）流出。流出的油液一部分從出油口流出并到后續的執行機構，與此同時另一部分油液也分成兩路，一路經過圖中所示的a通道到達主閥芯的下腔，另外一路經過細長孔b來到主閥芯的上腔，并最終作用在先導錐閥芯上，液壓油向錐閥芯施加了一個方向向左的力。當p2低于調定壓力Fs時，錐閥關閉，主閥芯上下油腔的壓力相等（p2=p3），SMC比例閥口h開得最大，SMC比例閥處于不工作狀態。當分支油路負載增加，p2升高導致p3高于調定壓力時，錐閥打開，主閥上腔少量油液流回油箱，由于阻尼孔b的存在，主閥上腔壓力低于下腔壓力，當該壓力差產生向上的力足夠大，主閥芯上移。SMC比例閥口h變小，減壓作用增強，從而使得出油口的壓力下降，當該壓力值下降到一定的值，SMC比例閥的兩個閥芯又重新達到受力平衡狀態，此時對主閥芯進行受力分析可以獲得下述方程：
　　p2=p3+Fs/A可見，p2<p3且基本保持恒定。