数字液压微阀门机电一体化设计
摘要
数字液压阀系统是一种新型的液压控制阀组件，具有节省能源和提高阀控制执行器性能的潜力。典型的数字阀系统在每个控制边缘具有4-6个并联连接的开/关阀，在四通阀配置中总计16-24个阀。并联连接的阀的流量根据两个的功率设定，使得可以用N个阀实现2N个不同的流量。另一种方法是使用相同尺寸的阀，这意味着N个并联连接的阀仅给出N 1个不同的流量。该方法具有若干益处，但是阀的数量变得非常大。本文表明，可以实现具有128个小型化阀的阀组件，使得其可以安装而不是传统的CETOP3伺服或比例阀。仔细的电磁优化和机电一体化设计与新型制造方法和新型功率电子器件一起使用。原型是构建和实验研究，结果表明，这种数字阀系统的性能在响应时间和容错方面优于传统的四通控制阀。
介绍
节流控制是控制液压致动器的最常见方式。 它是简单和低成本的解决方案也具有良好的控制性能。 众所周知的缺点是能量效率差，特别是对于小的或超越负载力。 通过使用负载传感泵和/或分布式阀可以提高能量效率。分布式阀可以独立地控制每个流动路径并且减少损失，因为不必要的背压可以最小化，并且因为再生连接可以用于超越负载。 最两个常见的分布式阀门解决方案如图1（a）和（b）所示，典型的损失减少为30-50％[1-3]。 减少损耗的另一种方法是放弃阀门控制，并为每个泵使用单独的泵或变压器致动器。 这些是新机器的良好替代品，但不能轻易地在现有系统上进行改装。由于应用的数量和寿命长，现有阀控制液压系统的现代化具有巨大的节能潜力。 现代化的投资回收期必须很短，只有通过大大降低能耗和提高生产率的组合才能实现。 系统修改也必须最小化。 潜在的现代化选择是用分布式控制阀替代现有的控制阀。 潜在的好处是节能，提高了可控性和生产率。两种分布式阀门解决方案都是市售的。 Ultlon阀[4]基于两个3/2比例滑阀型阀（图1（a）），而Husco的解决方案[5]具有四个双向插装阀（图1（b））。 两者都依赖于传统的阀技术，因此增加了昂贵且安全关键的比例阀的数量。
图1.分布式阀门系统。 版本（a）基于两个三通阀，版本（b）使用四个两个阀，版本（c）被称为版本（b）的数字液压实现。
本文研究了用改进的数字液压代替传统伺服或比例阀的可能性--阀系统（DVS）。 DVS是一种特殊的分布式阀门系统，其控制边缘由其实现并联连接的开/关阀[3]，见图。 1（c）。 DVS的优点是快速和幅度独立响应，冗余和对油杂质的耐用性。缺点是需要大的空间，复杂性控制和可能更高的价格。然而，在造纸机应用中的实际结果已经特别是在性能，能量效率和可靠性方面。 DVS的大物理尺寸显着阻碍了改装，本文提出了一个新的机电一体化设计的完整的DVS包括电力电子。目的是使标准CETOP3伺服和比例的一对一替换阀门。这是通过“数字微液压”方法[7]，并发机械，液压实现和电磁，新制造方法和新型电力电子。数字的主要思想微流体仅使用一种尺寸的阀，这在流动密度，响应时间的意义上是最佳的容错，但在需要更大数量的阀的意义上是苛刻的。设计的最终结果已部分记录在[8-10]。本文介绍了完整的设计过程本身，即如何乌托邦梦想实现了一个工作原型。
CETOP3标准接口
ISO4401-03标准确定了所谓的CETOP3阀门的移植模式。 除了流动路径和安装螺栓的位置之外，标准确定阀的最大宽度为50mm。 它不确定阀的长度或高度，但典型尺寸在表1中给出。该表还示出了典型的性能值。
表1.两个CETOP3伺服阀的特性。
尺寸（mm） 48 x 203 x 161 49 x 259 x 147
Delta;p= 3.5MPa时的流量[l / min] 40 40
Maximum pressure [MPa] 31.5 35
质量[kg] 3.2 2.5
阶跃响应0-100％[ms] le;10 8
阶跃响应0-25％[ms] n / a 3
窗体顶端
耗电量[W] le;40 29
2.2。 新DVS的目标值
新DVS的最大宽度为50毫米，而长度或高度没有严格的限制。参考表1，长度和高度不应分别超过260mm和160mm。在rho;p= 3.5MPa时流量的目标值为40l / min，最大压力应为32MPa，以便覆盖大多数应用。为了与最好的伺服阀竞争，需要2ms的响应时间。早期的研究表明，具有4x5阀的二进制编码DVS已经具有良好的可控性[3]。 5位控制边缘的理论分辨率为1:31，并且目标设置为每个控制边缘共有128个阀的32个相等大小的阀。因此，每个阀的流量在lambda;p= 3.5MPa时为1.25l / min，给出0.65mm的等效孔尺寸。因此，设计问题是将4times;32个阀，流路，CETOP3接口和功率电子器件安装在50times;260times;160mm立方体。该解决方案必须是低成本的并且适于大规模生产。很明显，问题是挑战和非常仔细的并发设计是需要的。
2.3。 基本布局
阀的理论最大容积为16.25cm 3，因为阀包的最大尺寸为260 x 160 x 50毫米，它有128个阀门。阀的实际体积小得多，因为需要空间也用于流动路径，电力电子以及阀和歧管的紧固。第一个观察是歧管是对称的，并且足以为64个阀门设计歧管的一半。第二个事实是
CETOP3歧管的流路连接和安装螺栓的位置使其难以利用阀的歧管的中心部分。因此，实际上存在两个相同的105x160x50mm盒子阀门。如果阀的形状假定为气缸，则可以绘制不同的设计。简单的假设是每个阀在顶部具有集成的功率电子器件并且在底部具有流动通道。高度的集成功率电子器件假定为13mm，这是由典型电容器的高度产生的电路板。两种可能的设计在图2中示出。版本（a）具有安装在侧面的阀歧管并且阀的数量为每个流动边缘为35个。所得到的阀尺寸为oslash;15mmtimes;27mm或4.7cm 3每个阀。版本（b）具有安装在顶部和底部的阀。该解决方案每个流动边缘有32个阀门，阀尺寸为oslash;12.5mm x 62 mm或7.6 cm 3。这种设计的缺点是阀是不现实的薄。
然而，如果假设阀的体积为如先前设计的4.7cm 3，则所得到的阀尺寸为oslash;12.5mmtimes;37mm。此外，如果阀较低，歧管简单地变得更低，并且具有更多的用于流动路径的空间和电力电子。
真正的设计过程并不像上面提到的那样合理，但第一步是简单地设计一个直径为10 mm的阀门，并研究其特性[9]。 后来发现，对于具有第二设计的CETOP3界面，该尺寸的阀确实接近最佳，并且后一原型被设计成考虑了歧管。
图2.在歧管上安装阀门的两种可能的布局。 只显示了歧管的一半。
3.阀门设计
3.1。 基本布局
所选阀门的基本结构如图3所示。歧管用作磁路的一部分。 阀结构没有什么特别的，但是设计约束使问题具有挑战性。 设计约束是：
阀的外径为11mm，这在阀之间留有一些空间。
孔的直径为0.7mm，以便具有用于流动能力的一些安全裕度。
1阀门必须承受32 MPa的内部压力。
2阀门必须以32 MPa的压差打开
3不允许外部泄漏。
4其他目标值为：
5响应时间2毫秒
6耐用性在最大压差下有10百万冲程
7简单和低成本的设计
8无内部泄漏
阀应在相反的流动方向上工作，压力差达到10 MPa。这是需要的，以实现节能差分连接。0.7mm的孔直径和32MPa的最大压力差给出最大压力为12.3N。弹簧力必须至少为3.9N，以保持阀以10MPa的反向压差关闭。考虑一些流动力，结果是阀致动器应该能够产生大约20N。初始CFD计算表明合适的针角可以是45°，相应的针升程大约为0.35mm [10]。
3.2。 电磁设计
适当的电磁设计是快速致动和足够的螺线管力的关键。 准确的电磁建模需要对电磁学，技术人员和良好的软件的深刻理解，因此电磁设计是在坦佩雷大学电磁学系做出的。 经验是模型精确地预测致动器力，打开瞬态，峰值电流和功耗[13]。 由于磁性和液压粘附效应，保持电流和闭合响应更难以预测，这将在后面讨论。 电磁模型需要作用在针上的轴向外力。 这包括惯性，弹簧，压力，摩擦和流动力。 静态流动力从CFD计算获得，并且排除动态流动力。 关键关系是[13]：
1稳态致动器力，磁饱和极限和针质量与针直径的平方成比例。
2线圈电流密度与（d o 2 -d i 2）成比例，其中d o和d i是线圈的外径和内径。
最重要的设计参数是针直径。如果它太小，磁饱和限制了致动器力，并且阀根本不打开。如果直径太大，螺线管变细并且电流密度可能变得太高。可以通过增加螺线管的高度来减小电流密度，但是这增加了阀组件的尺寸。针直径也快速增加针的质量，这反过来减慢响应时间并降低耐久性。假定针材料在模拟中为纯铁，其给出较大的力但是否则是如下所述的有问题的材料。计算结果表明，4.8 mm针直径给出18 N和5.2 mm针直径已经22 N力在磁饱和点[13]。甚至更大的力可能具有更大的电流，但是力的梯度小于饱和点。针直径选择为4.9mm，使得在饱和点实现20N的力。
3.3。 电磁阀设计
为了使螺线管尺寸最大化而不增加其外径，重要的是使其内径最小化。电磁管必须承载32 MPa的内部压力，如果使用传统设计，则需要相对较厚的管。通过用环氧树脂加强螺线管可以减少该问题。真空和低粘度树脂用于随后用环氧树脂填充紧密缠绕的线圈。壁厚选择为0.5mm，这对于可制造性是足够的，并且所得到的线圈内径为6mm。所选择的管材料是玻璃纤维填充的聚缩醛（POM-C）。选择塑料以便能够通过注射成型进行经济的制造并防止线圈线的短路。聚缩醛的良好性能是可机械加工性，耐磨性，高强度和高刚度。用环氧树脂完全填充气隙是强制的，以实现抵抗轴向压缩的足够的刚度，并且使得线圈能够用作压力容器。线圈的高度为16mm，测量的外径为9.4mm，因此横截面积为27mm 2。当匝数为288且设计的峰值电流为4.5A时，电流密度为48A / mm 2。
3.4。 针设计
电磁设计是详细针设计的基础。 纯铁用于电磁设计，这是针材料的起点。 纯铁是软的，其耐久性只有几千个周期[10]。 可能的解决方案是硬化，涂层，双材料或另一种材料。 硼化是一种可能的涂覆方法，但它被认为太昂贵[10]。 这就是为什么针材料被选择为具有良好的磁性能和耐久性的钴铁的原因。 唯一的缺点是非常高的价格，其部分由针的小尺寸补偿。
针刺严重影响阀的关闭延迟，如果根据图1实现针，则关闭延迟高达8ms。 在针的顶部处发生粘着，其中针与阀体接触。 这种粘附相对简单，通过使用针的稍微锥形的顶部而不是如图4所示的平坦的顶部。该修改对保持电流具有小的负面影响，但是对于适当的阀操作是必要的。 由于侧向力，更严重的粘着发生在磁路的下部。 如果针和磁路之间的间隙能够完全关闭，则侧向力非常大。 如果引入如图4所示的额外间隙，则可以减少该问题。
这增加了磁阻，因此增加了峰值电流和保持电流。 幸运的是，磁路的横截面积在这一点更大，这减少了问题。
图4.粘附现象和减少它们的方法。
3.5。 磁路，密封和座
磁路的上部也由钴铁制造，并且其具有用于将阀紧固到歧管中的外螺纹。 线圈和上部之间的密封通过将部件粘合在一起来实现。下部包括用于防止外部泄漏的流入流动通道和O形环。 座位部分具有平滑扩大的出口通道，根据[10]的CFD计算将流量增加10-15％。 部件如图5所示。
图5.阀门的零件。
单个阀原型已经用不同的入口和出口压力测量，并且根据压差，打开延迟为1.4-2.3ms。 闭合延迟为3.4 ms，1 MPa压差，在21 MPa压差下缩短至2.0 ms。 延迟是根据压力确定的。 在3.5MPa压力差下，原型阀的流速为约1.4l / min。
4.歧管设计
下一个设计挑战是如何将阀门集成到歧管中。 歧管的主要功能是：
1实现CETOP3标准接口
2在阀门之间实现足够宽的流路
3承载压力
4防止内部和外部泄漏
5径向对齐阀门零件
6关闭阀门上部和下部之间的磁路
歧管设计基于第2章和图2（b）的分析。传统的制造方法将产生长钻孔，巨大数量的插塞和相对窄的流动路径，因此需要替代的制造方法。激光烧结允许人工形状，但是它被认为是用于批量生产的太昂贵的方法。另一个选择是板层压，其中设计稍微受约束但仍然比传统制造更灵活。选择该技术，并在[8]中解释了设计过程。歧管设计的结果如图6所示。板材为2mm钢，部件由组合激光切割/冲压机制造。在制造之后，部件被清洁并通过6mu;m铜层电解涂覆。该薄层足够用于紧密和无泄漏的层压，并且不会显着干扰歧管的磁性能。将板堆叠并在真空炉中热处理。几百个歧管可以在一个
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