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高速开关电磁阀及其在连铸工业中的应用
发表时间:[2007-09-27]  作者:本站  编辑录入:本站  点击数：3013
摘要：高速开关电磁阀是一种数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，利用脉冲电信号进行开关动作。与伺服阀、比例阀相比具有价格低廉、抗污染能力强、可与计算机及PLC直接接口等特点，但控制流量较小、系统响应较慢。由于连铸工业对于速度和响应的要求不是很高，为高速开关阀在连铸工业上的应用提供了可能性。文章以高速开关阀在宝钢3#连铸机扇形段开口度控制和结晶器调宽方面的应用为例，介绍了高速开关阀在连铸工业中的应用。
0 概述
　 随着工业自动化的发展，液压技术与计算机技术和电子技术的结合越来越紧密，数字式液压元器件的研发成为液压技术的一个重要发展方向。高速开关电磁阀就是一种数字式电液转换控制元件，采用脉冲流量控制方式，利用脉冲电信号进行开关动作。其与伺服阀、比例阀相比具有价格低廉、抗污染能力强、可与计算机及PLC直接接口等特点，见表1。由于以上特点，高速开关阀有着较为广阔的应用范围，如图1所示。
表1 高速开关阀与比例阀和伺服阀比较表
　
高速开关阀
比例阀
伺服阀
结构
简单
较简单
复杂
控制精度
差
较好
好
响应速度
差
较好
好
与电子电路的配合
很好
较好
不太好
价格
低
较贵
很贵
抗污染能力
极强
较强
弱
　
　
图1 数字阀的应用范围
　
1 高速开关阀的性能分析
1.1 控制原理
　 与伺服阀和比例阀采用连续控制方式不同，高速开关阀采用脉冲流量控制方式，比较常用的是采用脉宽调制(PWM)方式，其控制原理如图2所示。
　
图2 高速开关阀控制原理图
　 在图2(a)中，r(t)为控制信号，将该信号与载波信号c(t)相比较，若在某一时刻r(t)值大于C(t)值，则高速开关阀开启，否则关闭，由此便可得到图2(b)所示的控制指令。控制指令作用到高速开关阀的电磁线圈上时，在一个周期T内有ton时间阀芯开启，通过流量为Quo时间ton和T之比τ为占空比，即τ=ton/To由于高速开关阀的载波频率很高，即周期时间T很小，故可用平均流量Quo表示这一时间内的输出流量，即
　 式中，Cd为高速开关阀的流量特性；A为高速开关阀的开度面积；△p为高速开关阀进出口压差；ρ为液压油的密度；Qmax为高速开关阀的最大流量。
　 由上式可知，高速开关阀的平均流量与占空比成正比，载波频率越高，流量曲线越平滑，控制性能和控制精度越高。
1.2 启闭特性分析
　 对于一个理想的开关阀，在一个调制周期内，电压波形与阀芯位移波形应完全相同，但由于高速开关阀受电磁铁的响应能力及阀芯运动时间的影响，实际的阀芯响应不可能完全跟随脉宽信号的变化。图3为阀芯对脉宽调制信号做出完全响应的情况，当然阀芯在启闭过程中的动作不会是匀速运动，为简化起见表示为匀速。
　
图3 高速开关阀启闭特性
　
　 如图所示，当电磁铁通电时，由于电感的存在，当电流的增长未达到一定值，电磁力不足以克服阀芯运动阻力时，阀芯不能运动，从而导致了电气延迟时间t1。当电流上升到电磁力足以克服阻力时，阀芯开始运动，阀芯运动到全开的时间为t2。t3为阀芯到达最大开度后的保持时间。电磁铁断电后，由于电感的存在，电流不能突变，复位弹簧力尚不足以克服剩余电磁力和阻力，阀芯不能复位，造成断电延迟时间t4。当电流下降到一定值、弹簧力可以克服剩余电磁力和运动阻力时，阀芯开始运动，阀芯复位时间为t5。
　 topen=t1+t2为高速开关阀的总开启时间，代表了高速开关阀对正阶跃信号的响应过渡时间。tclose=t4+t5为高速开关阀的总关闭时间，代表了高速开关阀对负阶跃信号的响应过渡时间。topen和tclose是高速开关阀频率特性的重要参数，反映了阀的快速响应性能。
　 要得到完全的开启响应，脉冲宽度ton至少要维持topen时间，而要得到完全的关闭响应，负脉冲宽度至少要维持tclose时间。因此要得到完全的启闭响应，脉冲周期最小应为Tc=topen+tclose，fc=1/Tc=1/(topen+tclose)称为临界频率，是高速开关阀能得到完全响应的最高频率。fc大表明可以使用较高的载波频率，线性区的范围较大，响应较快。在实际使用中，为了使高速开关阀具有指定的线性范围τs，所选定的载波频率应满足，fc≤ （1 + τs ）/ （topen+tclose）对于高速开关阀而言，一方面要求载波频率要高，这样输出平滑、控制精度高；另一方面过高的载波频率又会限制高速开关阀的线性范围，反而使控制性能变差，频繁的动作又会降低高速开关阀的寿命。因而选择合适的载波频率对高速开关阀非常重要。
2 高速开关阀在连铸工业中的应用
　 由于高速开关阀的自身特点，其控制流量较小、系统响应较慢，在冶金等重工业中应用较少。然而，由于连铸工业对于速度和响应的要求不是很高，这就为高速开关阀在连铸工业上的应用提供了可能性。
　 宝钢新近投产的3#厚板坯连铸机是宝钢“十·五”规划重点项目，其生产的板坯规格为(1200～2300)mm ×(220～300)mm，在该连铸机中大量采用了高速开关阀做为控制元件，取得了较好的效果。3#连铸机采用的是日本不二越公司的AR—D2B高速开关阀，其结构简图如图4所示，基本参数如表2所示。
表2 高速开关阀基本参数
项目
参数值
最高切换频率
20Hz
最大流量
8L/min
控制电压
24V
最大电流
0.62A
阀芯直径
6㎜
阀芯行程
0.3㎜
　
图4 高速开关阀结构
　
2.1 高速开关阀在扇形段开口度控制上的应用
　 连铸扇形段的开口度对于连铸板坯的最终板形精度有着重要的影响，针对厚板坯的工艺特点，宝钢3#连铸机采用液压控制扇形段的开口度，每个扇形段采用4个液压缸进行控制，可精确地控制扇形段的开口度，并可使扇形段在板坯凝固末端实行轻压下，有效地降低了板坯中心偏析和中心疏松等情况的发生。对于采用液压控制开口度的扇形段，传统上多采用比例阀或伺服阀进行控制，系统对油液的清洁度要求较高，液压元器件和控制系统的成本也较高。为此，宝钢3#连铸机采用了高速开关阀控制扇形段的开口度，在保证控制精度的前提下有效地降低了设备投资，其原理如图5所示。
　
图5 扇形段开口度控制液压原理图
　
　 为了保证开口度的精度，液压缸内置传感器会不断将液压缸实际位置与设定值进行比较，当误差超过死区设定值δ时，控制系统会使高速开关阀1或2通电，控制扇形段上框架上升或下降，使扇形段的开口度始终维持在允许精度内。采用高速开关阀进行位置控制时，为了防止在目标位置附近发生振荡，必须要设置一死区δ，这也正是高速开关阀控制系统与伺服阀控制系统的区别所在，伺服阀控制系统的理论误差为零。扇形段开口度控制的程序如图6所示。
图6 开口度保持程序框图
　
2.2 高速开关阀在结晶器调宽中的应用
　 结晶器的宽度和锥度对于板坯最终宽度的精度有着重要的影响，通过在线调宽可以提高生产率，提高连铸机的作业效率。宝钢3#连铸机采用了高速开关阀控制结晶器的宽度和锥度，其上部一对油缸的控制原理与扇形段开口度的控制相同，下部一对油缸的液压原理图如图7所示。
　
图7 结晶器下部油缸控制液压原理图
　
　 由于下部油缸受到的钢水静压力很大，若采用差动回路会导致高速开关阀不断动作以进行位置保持，从而导致高速开关阀的寿命下降，也会加速结晶器铜板表面的磨损。采用图7所示的回路进行调宽时，高速开关阀1、4同时动作，调窄时则2、3同时动作。在控制方式上，结晶器调宽与扇形段开口度的控制类似。
2.3 高速开关阀的应用情况和注意事项
　 在上述两种应用情况中，油缸内置位移传感器的分辨率为0.01mm，系统的扫描周期为20ms，控制死区δ取为0.05mm，最终系统的控制精度达到了±0.1mm，以较低的成本达到了较高的控制精度，完全可以满足3#连铸机的生产需要。
　 根据厂家的资料，该类型高速开关阀对油液清洁度的要求达到NASll级即可。从图4的结构图可知，该高速开关阀的主阀口采用了锥阀型式，抗污染能力强，NASl1级以上的油液应该可以满足要求。但在高速开关阀内部，推杆和可动铁芯需要油液的润滑，其内部为一封闭的死腔，若油液的清洁度过低，油液中的污染物很容易导致推杆和可动铁芯卡死，而且推杆和可动铁芯上都无防卡死措施，因而在实际使用中推荐油液的清洁度采用NAS9级以上为宜。
3 结束语
　 高速开关阀作为一种新型的数字式电液转换元件，由于具有结构简单、成本低廉、抗污染能力强、对电控回路要求低、可直接与计算机和PLC接口等特点，特别适用于精度要求不是特别高、速度较低的场合。目前已广泛应用于汽车、工程机械和农业机械等行业。宝钢3#连铸机对高速开关阀的大量使用，也进一步扩大了它的应用范围。相信随着对高速开关阀研究的不断深入，高速开关阀的应用将会越来越广泛。