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高速開關電磁閥及其在連鑄工業(yè)中的應用
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摘要：高速開關電磁閥是一種數字式電液轉換控制元件，采用脈沖流量控制方式，利用脈沖電信號進行開關動作。與伺服閥、比例閥相比具有價格低廉、抗污染能力強、可與計算機及PLC直接接口等特點，但控制流量較小、系統(tǒng)響應較慢。由于連鑄工業(yè)對于速度和響應的要求不是很高，為高速開關閥在連鑄工業(yè)上的應用提供了可能性。文章以高速開關閥在寶鋼3#連鑄機扇形段開口度控制和結晶器調寬方面的應用為例，介紹了高速開關閥在連鑄工業(yè)中的應用。
0 概述
隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，液壓技術與計算機技術和電子技術的結合越來越緊密，數字式液壓元器件的研發(fā)成為液壓技術的一個重要發(fā)展方向。高速開關電磁閥就是一種數字式電液轉換控制元件，采用脈沖流量控制方式，利用脈沖電信號進行開關動作。其與伺服閥、比例閥相比具有價格低廉、抗污染能力強、可與計算機及PLC直接接口等特點，見表1。由于以上特點，高速開關閥有著較為廣闊的應用范圍，如圖1所示。
表1 高速開關閥與比例閥和伺服閥比較表
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高速開關閥 |
比例閥 |
伺服閥 |
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結構 |
簡單 |
較簡單 |
復雜 |
|
控制精度 |
差 |
較好 |
好 |
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響應速度 |
差 |
較好 |
好 |
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與電子電路的配合 |
很好 |
較好 |
不太好 |
|
價格 |
低 |
較貴 |
很貴 |
|
抗污染能力 |
極強 |
較強 |
弱 |
圖1 數字閥的應用范圍
1 高速開關閥的性能分析
1.1 控制原理
與伺服閥和比例閥采用連續(xù)控制方式不同，高速開關閥采用脈沖流量控制方式，比較常用的是采用脈寬調制(PWM)方式，其控制原理如圖2所示。
圖2 高速開關閥控制原理圖
在圖2(a)中，r(t)為控制信號，將該信號與載波信號c(t)相比較，若在某一時刻r(t)值大于C(t)值，則高速開關閥開啟，否則關閉，由此便可得到圖2(b)所示的控制指令。控制指令作用到高速開關閥的電磁線圈上時，在一個周期T內有ton時間閥芯開啟，通過流量為Quo時間ton和T之比τ為占空比，即τ=ton/To由于高速開關閥的載波頻率很高，即周期時間T很小，故可用平均流量Quo表示這一時間內的輸出流量，即
式中，Cd為高速開關閥的流量特性；A為高速開關閥的開度面積；△p為高速開關閥進出口壓差；ρ為液壓油的密度；Qmax為高速開關閥的最大流量。
由上式可知，高速開關閥的平均流量與占空比成正比，載波頻率越高，流量曲線越平滑，控制性能和控制精度越高。
1.2 啟閉特性分析
對于一個理想的開關閥，在一個調制周期內，電壓波形與閥芯位移波形應完全相同，但由于高速開關閥受電磁鐵的響應能力及閥芯運動時間的影響，實際的閥芯響應不可能完全跟隨脈寬信號的變化。圖3為閥芯對脈寬調制信號做出完全響應的情況，當然閥芯在啟閉過程中的動作不會是勻速運動，為簡化起見表示為勻速。
圖3 高速開關閥啟閉特性
如圖所示，當電磁鐵通電時，由于電感的存在，當電流的增長未達到一定值，電磁力不足以克服閥芯運動阻力時，閥芯不能運動，從而導致了電氣延遲時間t1。當電流上升到電磁力足以克服阻力時，閥芯開始運動，閥芯運動到全開的時間為t2。t3為閥芯到達最大開度后的保持時間。電磁鐵斷電后，由于電感的存在，電流不能突變，復位彈簧力尚不足以克服剩余電磁力和阻力，閥芯不能復位，造成斷電延遲時間t4。當電流下降到一定值、彈簧力可以克服剩余電磁力和運動阻力時，閥芯開始運動，閥芯復位時間為t5。
topen=t1 t2為高速開關閥的總開啟時間，代表了高速開關閥對正階躍信號的響應過渡時間。tclose=t4 t5為高速開關閥的總關閉時間，代表了高速開關閥對負階躍信號的響應過渡時間。topen和tclose是高速開關閥頻率特性的重要參數，反映了閥的快速響應性能。
要得到完全的開啟響應，脈沖寬度ton至少要維持topen時間，而要得到完全的關閉響應，負脈沖寬度至少要維持tclose時間。因此要得到完全的啟閉響應，脈沖周期最小應為Tc=topen tclose，fc=1/Tc=1/(topen tclose)稱為臨界頻率，是高速開關閥能得到完全響應的最高頻率。fc大表明可以使用較高的載波頻率，線性區(qū)的范圍較大，響應較快。在實際使用中，為了使高速開關閥具有指定的線性范圍τs，所選定的載波頻率應滿足，fc≤ （1 τs ）/ （topen tclose）對于高速開關閥而言，一方面要求載波頻率要高，這樣輸出平滑、控制精度高；另一方面過高的載波頻率又會限制高速開關閥的線性范圍，反而使控制性能變差，頻繁的動作又會降低高速開關閥的壽命。因而選擇合適的載波頻率對高速開關閥非常重要。
2 高速開關閥在連鑄工業(yè)中的應用
由于高速開關閥的自身特點，其控制流量較小、系統(tǒng)響應較慢，在冶金等重工業(yè)中應用較少。然而，由于連鑄工業(yè)對于速度和響應的要求不是很高，這就為高速開關閥在連鑄工業(yè)上的應用提供了可能性。
寶鋼新近投產的3#厚板坯連鑄機是寶鋼“十·五”規(guī)劃重點項目，其生產的板坯規(guī)格為(1200～2300)mm ×(220～300)mm，在該連鑄機中大量采用了高速開關閥做為控制元件，取得了較好的效果。3#連鑄機采用的是日本不二越公司的AR—D2B高速開關閥，其結構簡圖如圖4所示，基本參數如表2所示。
表2 高速開關閥基本參數
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項目 |
參數值 |
|
最高切換頻率 |
20Hz |
|
最大流量 |
8L/min |
|
控制電壓 |
24V |
|
最大電流 |
0.62A |
|
閥芯直徑 |
6㎜ |
|
閥芯行程 |
0.3㎜ |
圖4 高速開關閥結構
2.1 高速開關閥在扇形段開口度控制上的應用
連鑄扇形段的開口度對于連鑄板坯的最終板形精度有著重要的影響，針對厚板坯的工藝特點，寶鋼3#連鑄機采用液壓控制扇形段的開口度，每個扇形段采用4個液壓缸進行控制，可精確地控制扇形段的開口度，并可使扇形段在板坯凝固末端實行輕壓下，有效地降低了板坯中心偏析和中心疏松等情況的發(fā)生。對于采用液壓控制開口度的扇形段，傳統(tǒng)上多采用比例閥或伺服閥進行控制，系統(tǒng)對油液的清潔度要求較高，液壓元器件和控制系統(tǒng)的成本也較高。為此，寶鋼3#連鑄機采用了高速開關閥控制扇形段的開口度，在保證控制精度的前提下有效地降低了設備投資，其原理如圖5所示。
圖5 扇形段開口度控制液壓原理圖
為了保證開口度的精度，液壓缸內置傳感器會不斷將液壓缸實際位置與設定值進行比較，當誤差超過死區(qū)設定值δ時，控制系統(tǒng)會使高速開關閥1或2通電，控制扇形段上框架上升或下降，使扇形段的開口度始終維持在允許精度內。采用高速開關閥進行位置控制時，為了防止在目標位置附近發(fā)生振蕩，必須要設置一死區(qū)δ，這也正是高速開關閥控制系統(tǒng)與伺服閥控制系統(tǒng)的區(qū)別所在，伺服閥控制系統(tǒng)的理論誤差為零。扇形段開口度控制的程序如圖6所示。
圖6 開口度保持程序框圖
2.2 高速開關閥在結晶器調寬中的應用
結晶器的寬度和錐度對于板坯最終寬度的精度有著重要的影響，通過在線調寬可以提高生產率，提高連鑄機的作業(yè)效率。寶鋼3#連鑄機采用了高速開關閥控制結晶器的寬度和錐度，其上部一對油缸的控制原理與扇形段開口度的控制相同，下部一對油缸的液壓原理圖如圖7所示。
圖7 結晶器下部油缸控制液壓原理圖
由于下部油缸受到的鋼水靜壓力很大，若采用差動回路會導致高速開關閥不斷動作以進行位置保持，從而導致高速開關閥的壽命下降，也會加速結晶器銅板表面的磨損。采用圖7所示的回路進行調寬時，高速開關閥1、4同時動作，調窄時則2、3同時動作。在控制方式上，結晶器調寬與扇形段開口度的控制類似。
2.3 高速開關閥的應用情況和注意事項
在上述兩種應用情況中，油缸內置位移傳感器的分辨率為0.01mm，系統(tǒng)的掃描周期為20ms，控制死區(qū)δ取為0.05mm，最終系統(tǒng)的控制精度達到了±0.1mm，以較低的成本達到了較高的控制精度，完全可以滿足3#連鑄機的生產需要。
根據廠家的資料，該類型高速開關閥對油液清潔度的要求達到NASll級即可。從圖4的結構圖可知，該高速開關閥的主閥口采用了錐閥型式，抗污染能力強，NASl1級以上的油液應該可以滿足要求。但在高速開關閥內部，推桿和可動鐵芯需要油液的潤滑，其內部為一封閉的死腔，若油液的清潔度過低，油液中的污染物很容易導致推桿和可動鐵芯卡死，而且推桿和可動鐵芯上都無防卡死措施，因而在實際使用中推薦油液的清潔度采用NAS9級以上為宜。
3 結束語
高速開關閥作為一種新型的數字式電液轉換元件，由于具有結構簡單、成本低廉、抗污染能力強、對電控回路要求低、可直接與計算機和PLC接口等特點，特別適用于精度要求不是特別高、速度較低的場合。目前已廣泛應用于汽車、工程機械和農業(yè)機械等行業(yè)。寶鋼3#連鑄機對高速開關閥的大量使用，也進一步擴大了它的應用范圍。相信隨著對高速開關閥研究的不斷深入，高速開關閥的應用將會越來越廣泛。
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