液壓數(shù)字閥的發(fā)展與應(yīng)用

液壓數(shù)字閥的發(fā)展與應(yīng)用

1增量式數(shù)字閥的發(fā)展歷程在計算機技術(shù)和能源技術(shù)的發(fā)展和促進下，成立了一個完整的數(shù)字裝置。計算機技術(shù)本質(zhì)上說是數(shù)字技術(shù)。為了達到使液壓閥與計算機或微處理器之間能夠直接控制或通訊而無需數(shù)--模或模--數(shù)轉(zhuǎn)換這樣的目的,從而促使了液壓數(shù)字閥應(yīng)運而生。液壓數(shù)字閥分為二類,增量式數(shù)字閥與高速開關(guān)數(shù)字閥。液壓數(shù)字閥的最初開發(fā)產(chǎn)品是增量式數(shù)字閥,即步進電機式的數(shù)字閥。它的基本構(gòu)件就是將步進電機作為驅(qū)動元件與液壓控制閥作為控制元件相結(jié)合而生。這一類產(chǎn)品在上世紀八十年代末至九十年代占據(jù)了液壓數(shù)字閥領(lǐng)域的主流。國外的日本東京計器公司開發(fā)了全系列的液壓數(shù)字閥(如圖1所示),其中包括數(shù)字壓力閥、數(shù)字流量閥以及數(shù)字比例方向閥等,我國當時的廣研所也是積極開展研究的知名單位之一。但是增量式數(shù)字閥在上世紀末,基本未進入液壓元件的產(chǎn)品系列之中,即未被市場所接受從而淡出了人們的視線。國外有的公司的樣本,盡管元件種類達到了齊全的程度,但也未能真正進入市場而占一席之地。究其原因主要是下列問題:———由于是采用步進電機并與液壓閥機械聯(lián)系,從而慣量大﹑固有頻率低,因此頻響性能受到很大限制,其應(yīng)用領(lǐng)域與工作范圍也受到限制?！诮Y(jié)構(gòu)原理上說步進電機與液壓閥機械連接,成本方面肯定難占優(yōu)勢?！敃r的步進電機技術(shù)在高頻時有失步的問題,即可控制性能不佳,這又進一步使其頻響受到負面影響。由于上述原因使增量式數(shù)字閥的應(yīng)用很局限,但隨著步進電機及控制技術(shù)的發(fā)展,這方面的應(yīng)用與發(fā)展一直在各個領(lǐng)域有不少的成功實例。這是因為增量式數(shù)字閥的總體技術(shù)方面是成熟的,用于項目上容易成功,技術(shù)難點比高速開關(guān)閥要少。因此也有一定市場應(yīng)用。而高速開關(guān)數(shù)字閥的應(yīng)用到目前為止已經(jīng)很多,從數(shù)量看已超過增量式數(shù)字閥。但其性能的提高至今仍處在研發(fā)過程。所以增量式數(shù)字閥想要成為數(shù)字閥的主流產(chǎn)品,則要看其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大。但從方向與趨勢看高速開關(guān)數(shù)字閥更為期待。在增量式數(shù)字閥研究發(fā)展的同時,液壓高速開關(guān)閥也在研制與發(fā)展。在上世紀八十年代的研究中比較集中研究液壓高速開關(guān)數(shù)字閥的液壓特性和電控等方面。隨著研究的深入,對高速開關(guān)閥的磁特性給予了越來越大的關(guān)注。研究高速開關(guān)閥的磁性材料與特性成了關(guān)鍵。在上世紀八十年代,浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)等院校就進行了很多的研究。但從液壓領(lǐng)域來看,始終未進入工業(yè)界的領(lǐng)域,更不要說形成完整的產(chǎn)品系列了。到了上世紀末高速開關(guān)閥的開發(fā)與應(yīng)用突飛猛進。其中最強勁的推動者是柴油機的電噴共軌系統(tǒng)的要求。眾所周知,為了達到汽車的污染排放標準,歐洲已要求汽車達到歐Ⅳ的排放標準。而我國現(xiàn)在只能推行實施歐Ⅲ標準。即使如此,我國目前實際使用只達到歐Ⅱ標準,柴油發(fā)動機更困難。在此情況下,在排放歐Ⅲ標準的強制要求下,凸輪軸驅(qū)動的柴油噴射系統(tǒng)就完全要讓位于共軌式柴油噴射系統(tǒng)。靈活的電子控制系統(tǒng)對正時和噴射壓力的控制,在發(fā)動機各種情況下都能獲得低排放與高效率。而控制這一過程所采用的就是高速開關(guān)閥。由于這一控制過程只有大約3~6ms,因此對高速開關(guān)閥的響應(yīng)提出了0.1~0.2ms的要求。此時燃油壓力可達160-180MPa,所以油量可以滿足要求。按液壓技術(shù)可供壓力而言,這類閥可達到1~8L/min。液壓高速開關(guān)閥用于共軌燃油噴射系統(tǒng)仍在發(fā)展之中,1997年博世公司將其用于客車上,2005年奔馳公司推出了第二代共軌系統(tǒng),雙龍汽車融合第三代共軌噴射及可變截面渦輪增壓等技術(shù),可達到歐Ⅳ標準。這將高速開關(guān)閥推向了成熟的高度,并正向壓電式共軌系統(tǒng)發(fā)展。高速開關(guān)閥也正向磁致伸縮材料方向努力。目前,為了工程應(yīng)用,其外形與價格是應(yīng)改進的。圖1是增量數(shù)字式先導(dǎo)溢流閥(日本東京計器公司),圖2是上海豪高機電科技有限公司(簡稱“豪高公司”),開發(fā)的增量數(shù)字式水液壓流量閥,此閥的特點是不僅用于水介質(zhì)還具有位置反饋,可提高閥的頻響。2器三要素組成數(shù)字閥元件是由液壓閥體、電磁執(zhí)行機構(gòu)與驅(qū)動放大器三大部分組成。由于對高速開關(guān)數(shù)字閥的性能要求已在ms級以下,因此這三大部分對于成功地實現(xiàn)最終的性能都有影響,其中以電磁執(zhí)行機構(gòu)最為關(guān)鍵。2.1高速開關(guān)閥的設(shè)計液壓閥體目前主要采用二位二通閥,也有二位三通閥,但后者的頻響有所損失或在流量方面會受到限制。因此,二位二通閥已成為高速開關(guān)閥的主要閥種與關(guān)注點。液壓高速開關(guān)閥的設(shè)計與常規(guī)閥有些異同。由于要追求高頻響,因此閥芯的位移比常規(guī)閥要小,因此其流量受到較大限制,目前一般在10L/min以下。2.2風(fēng)壓板材料電磁執(zhí)行機構(gòu)對磁性材料的要求較高。為了使鐵芯的磁通密度B值上升得更快些,以更快地建立使鐵芯移動所需的吸力,這就必須選用具有低矯頑力Hc高磁導(dǎo)率μ值,高電阻率ρ值的軟磁合金材料,以利更加快速磁化。1T12DY軟磁合金棒狀材料就是比較理想的一種。因為該材料具有超快高速開關(guān)數(shù)字閥所要求的全部特殊物理性能,即同時具有高磁導(dǎo)率、高電阻率、高磁通密度和低剩磁、低矯頑力、低密度等特殊的物理性能。但是由于燃油共軌系統(tǒng)中對高速開關(guān)數(shù)字閥的使用量大,因此閥的成本敏感度越來越高。所以各種磁性材料的選擇也是研究的方向之一。2.3控制了液壓控制驅(qū)動放大器對高速開關(guān)閥的性能也不可忽視。一般都采用PWM(脈寛調(diào)制)控制。目前各廠商都有自己的控制策略。使用的電壓也超過了液壓控制技術(shù)中的低電壓概念。目前有的公司采用的電壓最高可達90~110VDC。3高速開關(guān)閥的應(yīng)用3.1高壓共軌控制部分是將高速強力電磁閥作為先導(dǎo)閥的液壓回路,有利于控制燃油噴射系統(tǒng)的分圖3是豪高公司研發(fā)的應(yīng)用于汽車天然氣和高壓共軌的電噴系列高速開關(guān)閥,其技術(shù)參數(shù)見表1。電控柴油噴射系統(tǒng)是現(xiàn)代柴油機燃油系統(tǒng)的發(fā)展方向。通過對噴油量和噴油規(guī)律的最佳控制來滿足日益嚴格的排放法規(guī)和進一步提高經(jīng)濟性和動力性。但無論是時間控制系統(tǒng),還是壓力-時間控制的高壓共軌系統(tǒng),都是通過對高速強力電磁閥的精確控制實現(xiàn)的。圖4是某電控柴油噴射系統(tǒng)的總體構(gòu)型圖。圖4所示的系統(tǒng)中,高速強力電磁閥作為一個獨立裝置放置在燃油泵和噴油器之間。在電控柴油噴射系統(tǒng)工作過程中,高速強力電磁閥承擔(dān)著所有噴射控制功能。它的閉合時刻決定噴射定時,閉合時間長短決定噴油量。但必須快速關(guān)閉,以保證噴射定時準確和迅速形成高壓,快速開啟,從而保證噴射的快速切斷和穩(wěn)定卸載。電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性直接影響著燃油噴射系統(tǒng)的主要性能指標。在高壓共軌電控噴射系統(tǒng)中,電磁閥的工作條件惡劣、復(fù)雜,必須有足夠的可靠性,快速、準確、無反沖的實現(xiàn)其啟、閉。有的采用Terfenol-D棒作為電磁閥的執(zhí)行器,克服電磁鐵吸合過程中由于電磁鐵運動慣性和反作用力的影響而難以提高響應(yīng)速度和作用力的缺點。3.2高速開關(guān)裝置的設(shè)計最具代表性的液壓元件是比例二通插裝閥和多路閥。3.2.1高速開關(guān)閥控邏輯錐閥的原理Eaton公司的二通插裝閥采用了以高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥的數(shù)字先導(dǎo)控制。此電液比例節(jié)流閥為CVU-**-EFP1系列。該產(chǎn)品是用2位3通數(shù)字閥為先導(dǎo)閥控制二通插裝節(jié)流錐閥。以高速開關(guān)閥作為邏輯錐閥的先導(dǎo)閥,通過讓高速開關(guān)閥工作在占空比為線性控制區(qū)(避開高速開關(guān)閥的死區(qū)和飽和區(qū))可以實現(xiàn)對錐閥的較大流量的線性控制,而且系統(tǒng)響應(yīng)速度較快,能滿足實際工作要求。這種高速開關(guān)閥控邏輯錐閥節(jié)流系統(tǒng)可以用在液壓系統(tǒng)的進、出油路節(jié)流和旁油路節(jié)流回路控制中,不僅可以實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的較大流量的比例控制,而且如果在液壓系統(tǒng)中施加合適的智能控制算法,則可以極大地提高其控制精度和調(diào)節(jié)范圍。圖5是以一個HSV系列高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥的邏輯錐閥的系統(tǒng)原理圖。圖中1是帶有內(nèi)阻尼孔的邏輯錐閥,2是高速開關(guān)電磁閥。當高速開關(guān)閥斷電時,高速開關(guān)閥處于關(guān)閉的位置,錐閥控制腔壓力p與錐閥進油口壓力p相等,所以錐閥阻尼孔兩端的油液壓差為零,控制腔油液封閉不流動,此時錐閥關(guān)閉。當高速開關(guān)閥通電時,高速開關(guān)閥處于打開狀態(tài),控制腔油液通過高速開關(guān)閥流回油箱,由于控制腔壓力p1下降,錐閥芯開啟。高速開關(guān)閥采用PWM控制,通過調(diào)節(jié)調(diào)制率D的大小,可以改變通過高速開關(guān)閥的流量,進而得到不同的控制腔壓力,從而實現(xiàn)對通過錐閥流量的調(diào)節(jié)。3.2.2pve的工作原理Sauer-Danfoss公司推出了以數(shù)字閥為先導(dǎo)級的PVG比例多路閥。其流量可從20~200L/min.圖6是PVG比例閥PVEH電氣驅(qū)動高速開關(guān)數(shù)字閥。高速開關(guān)閥通過調(diào)節(jié)占空比Di,就可以連續(xù)地控制通過開關(guān)閥的平均流量,實現(xiàn)對流量的控制,其功效可以等效為一個可變的節(jié)流口。我們知道。四邊滑閥及其等效的液壓橋路如圖7所示,把滑閥的4個可變節(jié)流工作邊作為4個可變的液阻表示,是1個四臂可變的全橋。當把圖中的等效節(jié)流元件全部(或部分)采用工作于PWM狀態(tài)的開關(guān)閥,通過分立或聯(lián)合操作開關(guān)閥,可以更靈活地組成阻尼控制回路。圖8是PVEH的液壓原理圖。圖中,PVE利用高速開關(guān)數(shù)字閥構(gòu)成的液壓全橋,通過PWM脈寬調(diào)制原理,控制主閥芯位置。PVE配有集成的反饋傳感器,反饋傳感器通過檢測閥芯的運動產(chǎn)生反饋信號。根據(jù)反饋信號和輸入信號對比所得的偏差,執(zhí)行機構(gòu)通過由高速開關(guān)數(shù)字閥組成的電磁閥橋來控制主閥芯的運動方向、速度和位置。通過PVE搭建起的閉環(huán)控制,大大提高了多路閥的控制精度,以數(shù)字閥為先導(dǎo)級,提高了多路閥的響應(yīng)速度。3.3高速開關(guān)裝置的設(shè)計3.3.1數(shù)字閥組成主要控制閥圖9是豪高公司生產(chǎn)的高速開關(guān)閥用于摸擬控制系統(tǒng)的數(shù)字紙卷糾偏控制裝置的數(shù)字式光液糾偏裝置。本裝置的響應(yīng)時間可小于3ms,其頻響能滿足工程要求;而數(shù)字閥及其控制放大器的成本僅為比例閥的1/2,使糾偏裝置的成本大為降低;用數(shù)字閥作為主要控制閥,對液壓系統(tǒng)油液清潔度要求比伺服閥低,從而使糾偏裝置的可靠性大為提高。因此,數(shù)字技術(shù)控制的新型糾偏裝置具有精度高、耐污染、工作穩(wěn)定可靠、便于計算機控制、造價低、調(diào)試簡單和維護容易等優(yōu)點。目前,這一技術(shù)也試用在鋼鐵行業(yè)的類似裝置中。3.3.2電液控制強制配流系統(tǒng)以液壓鑿巖機、液壓碎石機和液壓沖擊錘等為典型代表的液壓沖擊機械,其主要內(nèi)核為液壓沖擊器,不難發(fā)現(xiàn)它們的工作原理基本相同,主要由配流閥、沖擊活塞和蓄能器等部件組成,通過配流閥配流,以液壓力驅(qū)動活塞往復(fù)運動作功,對外輸出沖擊能來進行工作的。配流系統(tǒng)是液壓沖擊機械的重要組成部分,配流閥與沖擊活塞相互影響、相互控制形成活塞的高速往復(fù)運動。目前這種系統(tǒng)盡管能很好滿足工況,但是其運動一旦設(shè)定是不能任意調(diào)節(jié)的。液壓沖擊器的特點是沖擊活塞在前后腔交變高壓油的驅(qū)動下往復(fù)高速運動,圖10所示的電液控制強制配流,是一種新穎的配流方式,它是采用高速開關(guān)閥用于高速往復(fù)運動控制系統(tǒng)的液壓沖擊器。充分利用了電信號頻率準確、穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便的特點,可實現(xiàn)液壓沖擊機械輸出沖擊能及沖擊頻率隨控制信號穩(wěn)定、快速、準確和無級調(diào)節(jié)。其優(yōu)點是可以根據(jù)工作的情況能加以調(diào)節(jié),達到性能更好又節(jié)能的效果。其工作原理是計算機或信號發(fā)生器產(chǎn)生交變的矩形波作為控制信號,通過放大器轉(zhuǎn)換成控制電流輸出給高速開關(guān)閥1、2,兩個高速開關(guān)閥的控制口分別與經(jīng)特殊設(shè)計的液控快速換向閥的閥芯兩端控制腔相連,通過分別控制高速開關(guān)閥1、2,使液控快速換向閥完成快速換向配流,這樣,沖擊活塞就在計算機(信號發(fā)生器)產(chǎn)生的控制信號作用下作往復(fù)高速運動,產(chǎn)生沖擊與振動。由上述配流系統(tǒng)工作原理可知,沖擊活塞的工作頻率就是控制信號的頻率,沖擊能也與控制信號的頻率有關(guān)。因此,采用電液強制配流方式的液壓沖擊機械具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、易于實現(xiàn)電液控制的特點。3.3.3壓力傳感及控制圖11是豪高公司研制的數(shù)字瓦斯壓力控制裝置工作原理圖。本系統(tǒng)采用了閉環(huán)壓力控制。數(shù)字式壓力傳感器可以顯示壓力,同時能輸出反饋信號(4~20mV或0~10V)。數(shù)字控制器接受壓力傳感器信號與給定值比較、放大后,輸出控制數(shù)字閥的電流,它還具有PWM及PNM控制功能,可調(diào)節(jié)周期﹑占空比或控制電流的幅值;對△t及△p具有調(diào)節(jié)功能。當壓力到達要求后可以停止輸出控制電流,由圖12的測式曲線知,該系統(tǒng)的控制精度在要求范圍之內(nèi)。但是在起始段與終結(jié)段有較大誤差,且差值方向相反,說明系統(tǒng)要完全消除此誤差尚需進一步采取措施。3.3.4高速開關(guān)數(shù)字閥元件與系統(tǒng)教學(xué)臺為了推廣液壓數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,特別是高速開關(guān)發(fā)閥的應(yīng)用,上海豪高機電科技有限公司開發(fā)了液壓高速開關(guān)數(shù)字閥元件與系統(tǒng)教學(xué)實驗臺。此實驗臺可以對上述的數(shù)字模擬閉環(huán)控制系統(tǒng)與高速往復(fù)開環(huán)系統(tǒng)進行實驗。并允許改變、設(shè)定參數(shù)。4高速開關(guān)數(shù)字閥的應(yīng)用高速開關(guān)數(shù)字閥是未來與比例閥、伺服閥相輔相爭的一個全新的新閥種。它具有價格更低、更易與計算機相聯(lián)、放大驅(qū)動裝置更簡單和體積更小的特點。液壓高速開關(guān)數(shù)字閥的作用與液壓比例流量方向閥是一致的。從目前看可用于控制精度很高的場合,可用于比例壓力、速度或位置控制的各種場合。也適合于高速往復(fù)運動與高頻振動的一些場合。高速開關(guān)數(shù)字閥具有抗污染性好,重復(fù)性好,非線性現(xiàn)象