目前德国博世公司和意大利阿托斯公司均有成熟 的伺服比例阀产品, 其动态特性较比例阀大为改善, 频 宽可达 40~ 80 H z, 并且可达到滞环和 重复精度小于 0 1% 的高稳态控制精度 [ 1] 。图 4. 1 所示为博世公司 的典型伺服比例阀结构。
图 4. 1 博世伺服比例阀典型结构
此型伺服比例阀解决了位置、力等要求无零位死 区的闭环控制, 所以可以方便地用于绝大部分闭环系 统。但其采用的电子元器件往往受温度影响比较大,
阀 1和 2, 就可以在系统正常运行的情况下更换滤油器。
图 4. 3 过滤模块原理图
该过滤模块的优点: 在油液进阀前增加了一道过 滤保护, 延长阀的使用寿命, 增强系统的可靠性和稳定 性; 具有在线更换滤芯的功能, 方便系统的工作和 维护。
射流管伺服比例阀采用伺服阀的加工精度和阀芯 阀套的配合要求, 故其性能和控制精度等同于伺服阀。 同时, 其维修性和系统的使用维护性较伺服阀进一步 提高, 抗污染能力等同于比例阀。
电液比例阀, 是针对伺服控制存在的诸如功率损 失大、对液压过滤要求高、制造和维护费用高、而它提 供的快速响应性在一般工业设备中又往往用不着的情 况 [ 2] , 它是在传统开关阀的基础上发展起来的。电液 比例阀可以根据输入电气信号, 按比例对工作油液的 压力、流量和方向进行控制。
比例阀发展的初期阶段, 仅是将比例电磁铁代替 普通液压阀的开关型电磁铁或调节手柄, 工作频宽小, 稳态滞环大, 只能用于开环系统。 20世纪 70 年代中 期至 80年代初, 比例阀开始采用各种内反馈原理, 耐 高压、比例电磁铁和比例放大器技术日趋成熟, 阀的工 作频宽达到 5~ 10 H z, 稳态滞环降低到 3% 左右。 80 年代后, 比例阀在设计上采用了压力、流量、位移内反 馈及电校正等手段, 使阀的稳态精度、动态响应和稳定 性都有了进一步提高。除了中位仍有部分死区外, 其 控制性能与伺服阀更为接近 [ 1] 。 2 伺服阀与比例阀的差别 2. 1 电 - 机械转换器
国内某煤矿选煤机液压系统原选用国外某型号比 例阀, 用于控制设备中的作动油缸和油马达, 由于工矿 恶劣且系统压力脉动大, 一般一个月需更换该比例阀; 选用七〇四研究所的伺服比例阀替代后, 两个月内无 任何故障, 系统运行正常。可见, 七〇四研究所的射流 管伺服比例阀性能可靠, 抗污染能力强, 完全可以替代 同规格的比例阀或伺服比例阀。 6 结论
5 国内射流管伺服比例阀 射流管伺服阀最大的特点就是抗污染能力强, 可
靠性高。国内生产射流管伺服阀并形成规模的只有中
国船舶 重工集 团第七 〇四 研究所。目 前, 该所在 原 C SDY 射 流管 伺服 阀的 基础 上 正 在研 制 射 流 管伺 服 比 例阀, 已取得初步成果。该阀主要采用前置独立式直 杆型射流放大器、旁置式过滤器及过滤模块等新技术, 进一步提高了整阀的抗污染性能并降低了生产成本。
表 4. 1 阀芯驱动力对比
阀芯驱动方式
阀芯驱动力
比例电磁铁 (力控制 )
5~ 10
比例电磁铁 ( 行程控制 ) 液压先导 级 (供油压力 5~ 20M Pa)
10 5~ 20
液压先导级 (供油压 力 210 M P a)
200
表 4. 2从不同角度列出了电液伺服阀、比例阀和 早期比例阀的性能对比 [ 2] 。可见, 与 比例阀相比, 伺 服阀频响和加工精度高、零位无死区、线圈功率小。
等优点而受到特别重视。特别是近几十年, 由于整个 工业技术的发展, 尤其是军事和航空航天技术的发展, 促使液压伺服控制得到迅速发展 [ 4] 。
然而液压伺服系统对油液的清洁度要求较高, 一 般喷嘴挡 板伺服 阀要求 油液的 清洁 度等级 为 NAS6 级, 射流管伺服阀为 NAS8 级。而一般液压系统的油 液清洁度等级为 NA S9级 [ 7 ] 。对于普通工业级用户来 说, 伺服阀的使用和维护相当困难, 系统极易因阀喷嘴 堵塞、阀芯卡死而引起故障 [ 5] 。此外, 伺服阀相对于比 例阀来讲价格相对较高。目前, 国外电液伺服阀在保持 原基本性能与技术指标的前提下, 已向着结构简化、降 低制造成本、提高抗污染能力和高可靠性方向发展 [ 6] 。
MOOG 公司曾对不同伺服元件、比例伺服元件和 比例元件的抗污染能力作了对比, 见表 4. 3[ 3] 。中船 重工集团第七〇四研究所生产的射流管伺服阀和射流 管伺服比例阀, 对油液的清洁度要求一般为 NAS9- 7 * , 阀前过滤精度为 10~ 25 m* 。可见, 伺服比例阀 和射流管伺服阀在工业应用场合有自己的优势。
因此, 在比例阀向着更高层次发展的同时, 高性能 的伺服阀也向着更适用于工业场合使用的方向发展, 也称为伺服比 例阀 ( 或 比例伺服阀 ) 。MO例, 该阀采用了阀芯电反馈、取消阀套结构以降低加 工难度, 采用抗污染能力强的射流管先导级。射流管 先导级由力矩马达、射流管和接收器组成, 有以下工作 特点: 大大改善了流量接受效率 ( 90% 以上的先导级 流量被利用 ), 使得能耗降低; 性能可靠, 射流放大器 有很高的压力效率, 在 80% 以上, 可提 供给功率级阀 芯较大的驱动力, 提高了阀芯的位置重复精度; 最低先 导级控制压力小, 可用于像汽轮机控制一类的低压系 统中 [ 7] 。
图 4. 2 射流管伺服比例阀结构示意图
3) 过滤模块技术 过滤模块技术是指在伺服 阀前安装一个 过滤模 块, 该模块由 3个截止阀, 1 个 10~ 20 m 的滤器和 1 个污染发讯器组成, 如图 4. 3所示。在正常工作时, 截 止阀 1和 2打开, 截止阀 3关闭, 油液通过滤油器进入 到伺服阀。当滤油器进出口的压差达到设定值时, 污 染发讯器报警。这时, 先打开截止阀 3, 然后关闭截止
1~ 3 小 闭环
(续表 )
比例阀 早期比例阀
10~ 24
10~ 30
1~ 3
4~ 7
大
大
开环、闭环 开环
3 比例阀向伺服比例阀发展 随着液压工业的发展, 一般工程系统对闭环控制
要求逐渐升温, 而比例阀不能很好地用于常运行于零 位附近的位置、力控制闭环, 即使在放大器中设置了阶 跃信号发生器, 在性能上总不及无零位死区的伺服阀。 同时, 原来伺服阀加工精度要求高的缺陷和要求系统 油液过滤精度高的矛盾逐渐淡化; 对电控器来讲, 处理 大电流的技术水平大为提高, 为使用大电流、高可靠性 的比例电磁铁提供了前提条件。在这样的技 术背景
级, 采用阀芯、阀套、阀体的配合方式, 阀芯和阀套为 单配, 间隙为 2~ 4 m。阀芯和阀套窗口之间采用气 动配磨或液压配磨方式, 无死区、滞环小、频响高。 2. 3 功率级阀芯驱动力
有前置级液压放大器的伺服阀, 无论是射流放大 器还是喷嘴挡板放大器, 其产生阀芯驱动力都要比比 例电磁铁大得多 ( 高一个数量级 )。表 4. 1 为 MOOG 公司对不同阀芯驱动方式所产生的阀芯驱动 力的比 较 [ 3] 。就这个意义上讲, 伺服阀阀芯卡滞的几率比比 例阀小。特别是射流管伺服阀的射流放大器因为没有 压力负反馈, 前置级流量增益与压力增益都较高, 推动 阀芯的力更大, 所以伺服阀有更高的分辨率和较小的 滞环。
毫瓦到一、二百毫瓦。伺服放大器价 格低廉、故障率 低。动圈式伺服阀控制电流相对较大, 从几十毫安到 上百毫安。 2. 2 加工精度
比例阀结构相对简单, 同时考虑到加工成本问题, 加工精度要求较低, 一般为 10 级, 一般没有阀套, 且 其零位死区和滞环大, 频响较低, 比较适合用在控制精 度不高的开环控制工业场合。伺服阀一般加工精度为
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液压与气动
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连载讲座 5
射流管电液伺服阀专题讲座
( 上海七 四研究所衡拓实业发展有限公司伺服阀部, 电话: 021- 56656744)
第四章 伺服比例阀的发展
1 伺服阀与比例阀简介 电液伺服阀是在二战期间由于飞行器等军事装备
对控制系统快速性动态精度的更高要求而发 展起来 的, 并在战后逐渐用于民用和工业设备。它是一种接 受模拟量电控制信号, 输出随电控信号大小和极性变 化、且快速响应的模拟量流量和 ( 或 ) 压力的液压控制 阀。根据其液压放大器的不同, 主要分为喷嘴挡板式 伺服阀和射流管式伺服阀 [ 1] 。电液伺服阀具 有体积 小、功率放大率高、直线性好、响应速度快、运动平稳可 靠、能适应模拟量和数字量调节等优点, 在各种电液伺 服系统中得到特别的重视。
下面分别对射流管伺服比例阀的关键技术进行分析和 介绍。
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1) 前置独立式直杆型射流放大器 传统射流管伺服阀将接受器安装在阀套上, 通过 阀套上的长孔将接受器的油液引入控制阀芯两端, 这 种结构加工、调试难度大, 反馈杆一般为弯杆结构, 并 且阀产生零偏时故障判断复杂。前置独立式射流管技 术 ( 已申请专利 ) 是把射流管阀前置级中的射流管, 喷 嘴及接受器集成在一个前置独立块中 (见图 4. 3)。射 流管前置级是独立的, 在安装调试时可单独调整喷嘴 的零位, 不会与阀芯阀套的零位相互干涉; 由于前置独 立式放大器是安装在阀体上的, 其接受孔与阀芯两端 控制腔是通过阀体上的引孔沟通, 降低了加工难度; 采 用了独立的前置级使在结构上采用直杆式反馈杆成为 可能, 降低了零部件的加工难度; 在维修时, 可方便地 区分产生零偏的原因, 缩短了维修周期。 采用前置独立射流管技术后, 方便了射流管伺服 阀的制造、安装、调试及维修, 提高了生产效率, 降低了 成本。 2) 外接式滤器 [ 8 ] 电液伺服阀中普遍采用把马达供油滤油器安装在 阀体内部, 受阀体结构的限制滤油器的过油面积比较 小; 滤油器更换、清洗比较困难。外接式滤油器技术是 指在阀体外接一阀块, 把滤油器安装在阀块内, 通过进 油孔与出油孔与阀体相通, 见图 4. 2。与滤油器安装 在阀体内部相比, 它有如下优势: 大大增加过油面积, 提高阀的抗污染能力; 发生滤油器堵死现象, 用户也可 自行卸下装有滤油器的阀块更换滤器。