This study is concerned with the design analysis and investigation of characteristics of a hydraulic compound valve which can vary flow rate independent of the fluid pressure. This compound valve is composed of three stages, an electric solenoid controlled pilot pressure reducing valve, a main valve and a pressure compensating valve.
The flow rate of the main valve is determined by the position of its spool which is controlled by the pilot pressure reducing valve which in turn is controlled by the input current of an electro-magnetic solenoid. For a given electric current the magnetic force exerted by the solenoid on the pilot spool should be constant regardless of spool position. A small orifice controlled choke between the main valve and pilot pressure reducing valve provides smoothing or dampening of dynamic fluctuations.
The pressure compensating valve maintains a constant pressure difference across the main valve so that the load pressure is reflected back to the hydraulic power supply independent of flow rate. A small orifice controlled choke between the main valve and pressure compensating valve provides dampening of dynamic pressure fluctuations across the main valve.
For convenience, this study is divided into two parts, the design analysis of the electro-magnetic solenoid and secondly the analysis of the response characteristics of the hydraulic components.
In order to provide a constant magnetic force over the operating range of the pilot spool, a small brass ring is inserted into the inner tube of the solenoid. A computer program is written to analyze the magnetic permeance of the solenoid and to compute the force on the plunger. The distance from the yoke to the brass ring defines the usable stroke range and the air gap clearance between plunger and tube is the most important factor in flattening the force-plunger position curve. Experimental results are in good agreement with theoretical analysis.
Since the governing equations of the hydraulic system are highly non-linear, they can't be solved in closed form. It is found that linear approximations to the response functions are not satisfactory because the operating point of the pilot pressure reducing valve spool is at a singular point with dead zone. Therefore a computer program is proposed to simulate the system.
Experimental results are in fair agreement with the analysis. It is found that the orifice coefficients for both chokes are the most important parameters for system dynamic control and they are also dependent on the load characteristics.
本 論文에서는 出力流量을 入力電流에 比例하게 하여 自動制御 및 遠隔制御에 利用할 수 있고, 펌프의 吐出壓力을 負荷의 크기에 따라서 自動的으로 변하게 하므로서 動力損失을 防止할 수 있는 電磁式 比例複合밸브의 比例電磁石 및 比例複合밸브의 特性을 理論과 實驗을 통하여 硏究하였다.
一般的인 電磁石은 솔레노이드에 가해 준 電流의 크기가 一定 하여도 플런저의 位置가 변함에 따라서 電磁石의 힘이 변하고, 또 플런저의 位置를 一定하게 維持시킬 때에도 電磁石의 힘이 가해 준 電流의 크기에 比例하지 않으므로 比例特性을 갖는 밸브에 利用할 수 없다. 一般的으로 比例特性을 갖는 油壓밸브에서는 작은 힘으로 큰 힘을 制御하기 위하여 힘을 壓力으로 變換 시키는 파일럿段(pilot stage)을 흔히 使用하고 있는데, 이 파일럿段에 가하는 힘은 所定의 스트로우크 範圍以內에서는 位置 變化에 無關하여야 한다. 또, 比例特性을 얻기 위해서는 파일럿段에 가하는 힘이 入力電流의 크기에 比例하도록 設計되어야 한다.
本 論文에서는 上述한 條件을 滿足시키기 위하여 電磁石의 튜우브에 非?化鋼의 一種인 黃銅環(brass ring)을 設置하여 特殊形象의 磁路를 形成시켜 주므로서 電磁石의 힘이 플런저의 位置에는 無關하고 솔레노이드에 가해 준 電流의 크기에 比例하는 比例電磁石에 關해서 퍼어미언스 槪念을 導入하여 解析하였고, 解析 結果는 實驗結果와 잘 一致함을 보였다.
硏究結果, 黃銅環의 設置位置 및 튜우브와 플런저 사이의 空隙이 이 電磁石의 磁氣力一位置特性을 決定하는 重要한 因子임이 判明되었다. 黃銅環의 設置位置는 必要로 하는 스트로우크의 範圍를 決定해 주며, 요우크로 부터의 設置位置를 멀게 하면 긴 스트로우크를 얻을 수 있으나 平坦한 磁氣力一位置曲線이 얻어지지 않는다. 그러므로 이를 補償하기 위하여 電磁石의 플런저와 튜우브사이의 空隙을 調整해 주어야 한다. 一般的으로 黃銅環의 設置位置가 요우크로 부터 멀리 떨어져 있을 때에는 이 空隙을 크게 해 주므로서 平坦한 磁氣力一位置曲線을 얻을 수 있으나, 電磁石의 힘의 크기는 減少하게 되므로 파일럿減壓밸브 스푸울의 作動範圍를 正確히 把握하여 電磁石을 設計하여야 한다.
比例複合밸브는 比例電磁石에서 發生하는 힘에 比例하는 出力流量을 얻기 위하여 壓力補償機構를 使用하며, 이 補償機構에 의하여 펌프의 吐出壓力이 負荷壓力에 따라서 自動的으로 변하게 되므로 밸브의 制御오리피스에서의 壓力降下가 一定하게 됨과 同時에 動力損失도 적게 된다. 이 밸브에는 上記의 機能을 發揮하기 위하여 파일럿減壓밸브, 主밸브 및 壓力補償밸브들이 有機的으로 結合되어 있고, 또 스푸울과 슬라이브 사이의 오우버랩에 起因한 死域(dead band)現象도 包含되어 있으므로, 이 밸브는 하나의 連槃非線型系 (coupled nonlinear system)이다.
本 論文은 이 밸브의 特性을 糾明하기 위하여 各 밸브의 運動 方程式과 連續方程式을 誘導하고, language "MIMIC"을 使用하여 콤퓨터 시뮬레이숀(computer simulation)으로 그 解를 구하였다. 硏究結果로서 다음과 같은 事實이 判明되었다.
比例複合밸브는 負荷壓力의 變動時에도 壓力補償機構의 精密한 制御機能에 의하여 出力流量이 比例電磁石의 힘에 比例하고, 中立時에는 自動的으로 無負荷狀態로 되어 動力損失을 적게 하는 特性을 갖고 있다. 그러나, 이 밸브는 無負荷狀態에서 負荷狀態로 轉換될 때에 比較的 큰 壓力變動을 隨伴하므로 交番入力時에는 制御性과 應答性이 良好하지 못하며 比例特性을 거의 期待할 수 없다.
比例複合밸브의 파일럿減壓밸브와 主밸브 사이의 파일럿라인에 設置되어 있는 쵸우크 및 主밸브와 壓力補償밸브 사이의 파일럿라인에 設置되어 있는 쵸우크의 오리피스係數는 各各, 밸브의 出力流量 및 補償壓力의 應答性과 安定性에 重要한 影響을 주고 있으므로, 이 係數들은 入力信號 및 負荷의 狀態에 맞추어 調整되어야 한다. 또, 壓力補償밸브의 스프링의 强度는 壓力補償밸브 스푸울의 應答性과 補償壓力에 影響을 주므로 밸브의 應答性과 補償壓力의 變動許容値를 考慮하여 決定되어야 한다.
比例複合밸브는 機能上, 파일럿減壓밸브의 스푸울의 作動点이 特異点(singular point)에 位置하므로, 밸브의 解析에서 흔히 使用되는 通常의 線形化方法에 의해서 그 解를 구하는 것은 困難하다.
