李 磊,趙升噸,范淑琴
(西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安 710049)
20世紀(jì)70年代以來,國內(nèi)開始了對電液伺服系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。近年來,隨著國內(nèi)機(jī)械工業(yè)的高速發(fā)展,對于高精度金屬成型裝備的需求大大增加,大規(guī)格電液伺服系統(tǒng)在鍛壓機(jī)械、軋鋼機(jī)械、折彎機(jī)中的應(yīng)用越來越廣泛。而電液伺服閥的發(fā)展可以追溯到二戰(zhàn)末期,1940年前后,在飛機(jī)上最早出現(xiàn)了電液伺服控制系統(tǒng)[1]。電液伺服閥將輸入的小功率電信號轉(zhuǎn)換為大功率液壓輸出形式 (壓力和流量),具有控制精度高和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。電液伺服閥結(jié)構(gòu)精密,對油液介質(zhì)要求高,價(jià)格昂貴。典型結(jié)構(gòu)有噴嘴擋板式和射流管式,噴嘴擋板式動態(tài)響應(yīng)快,靈敏度高,但是零位泄漏量大,噴嘴易堵塞,如圖1所示。與噴嘴擋板式電液伺服閥相比,射流管式電液伺服閥抗污染能力強(qiáng),但是響應(yīng)速度略慢,如圖2所示。
為使電液伺服系統(tǒng)能夠可靠并廉價(jià)地應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中,20世紀(jì)60年代末,出現(xiàn)了電液比例閥,如圖3所示。電液比例閥是閥內(nèi)比例電磁鐵根據(jù)輸入的電壓信號產(chǎn)生相應(yīng)動作,使閥芯產(chǎn)生位移,閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量輸出的元件[2]。后來又經(jīng)過了一系列的發(fā)展,20世紀(jì)末,伺服技術(shù)與比例技術(shù)相結(jié)合,伺服比例閥應(yīng)運(yùn)而生,如圖4所示。與電液伺服閥相比,電液比例閥抗污染能力強(qiáng),成本低,但是其直線性和響應(yīng)速度均不及電液伺服閥。中國蘭石重工于2008年成功研制的45MN快速鍛造液壓機(jī)組的液壓系統(tǒng)采用了大通徑伺服比例閥組作為控制元件,解決了大運(yùn)動慣量部件在高壓、大流量、頻繁換向工況下平穩(wěn)控制的問題,取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。
電液伺服閥和電液比例閥有其獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢,但也因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的原因,有一些先天的劣勢。特別是當(dāng)要求輸出的液壓功率較大,而電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件輸出功率較小,無法直接驅(qū)動功率級主閥時(shí),需要增加液壓先導(dǎo)級,無疑使閥的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,穩(wěn)定性降低。而電磁直驅(qū)式大規(guī)格電液伺服閥以其新的設(shè)計(jì)思路很好地解決了這些問題,所以對電磁直驅(qū)式大規(guī)格電液伺服閥的研究有著重要的意義。
直接驅(qū)動的本質(zhì)就是取消從動力部件到工作部件之間的一切中間機(jī)械傳動環(huán)節(jié),由動力部件直接驅(qū)動工作部件動作,實(shí)現(xiàn)所謂“零傳動”。嚴(yán)格定義上的直接驅(qū)動方式就是動力源不經(jīng)過任何傳動鏈直接驅(qū)動負(fù)載,而受現(xiàn)有技術(shù)條件的制約,目前的很多直驅(qū)方式往往指“準(zhǔn)直驅(qū)或近直驅(qū)”。
由于取消了中間傳動環(huán)節(jié),不存在滯后問題,保證了系統(tǒng)的傳動精度和定位精度,減小了機(jī)械磨損,提高了系統(tǒng)可靠性。所以采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)備動態(tài)響應(yīng)速度快,而且一般系統(tǒng)的電磁時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)械時(shí)間常數(shù)。直接驅(qū)動可具有更大的加速度和更短的定位時(shí)間,以及更高的控制精度。所以直驅(qū)式電液伺服閥有著常規(guī)伺服閥和比例閥所達(dá)不到的性能優(yōu)勢,引起了國內(nèi)外很多研究人員和相關(guān)廠商的興趣。上世紀(jì)80年代中期美國就已經(jīng)有人申請了關(guān)于直驅(qū)閥的專利,90年代初,世界幾個(gè)主要的伺服閥廠商已經(jīng)有了各自的代表性直驅(qū)閥產(chǎn)品,并以其優(yōu)異的性能占領(lǐng)了國內(nèi)外的大部分市場,特別是應(yīng)用到了金屬擠壓、鍛造、壓鑄等關(guān)乎國家命脈的重工業(yè)中,90年代中期以來國內(nèi)也展開了對直驅(qū)式伺服閥的一系列研究。
現(xiàn)有的電磁直驅(qū)式伺服閥大多是由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器直接驅(qū)動閥芯運(yùn)動,減少傳動環(huán)節(jié),達(dá)到直驅(qū)目的。電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作為機(jī)電設(shè)備的動力源頭,是連接電氣信號與機(jī)械動作之間的橋梁,也是實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動的關(guān)鍵部件。電磁直驅(qū)式伺服閥上使用的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器主要有直線力馬達(dá)、壓電元件、超磁致伸縮材料、旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵、步進(jìn)電機(jī)、直線電機(jī)等,本文就現(xiàn)階段國內(nèi)外各種電磁直驅(qū)式電液伺服閥的工作原理以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)展開分析。
美國MOOG(穆格)公司是全球著名的精密運(yùn)動控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造商和系統(tǒng)集成商。MOOG公司生產(chǎn)一種直接驅(qū)動式伺服閥,簡稱DDV(Direct Drive Servo Valve),用集成電路實(shí)現(xiàn)閥芯位置的閉環(huán)控制,如圖5所示。該閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器是永磁直線力馬達(dá),用它來直接驅(qū)動閥芯。對中彈簧使閥芯保持在中位,直線力馬達(dá)克服彈簧的對中力使閥芯在兩個(gè)方向都可偏離中位,平衡在一個(gè)新的位置,解決了比例電磁線圈只能在一個(gè)方向產(chǎn)生力的不足之處。閥芯位置閉環(huán)控制電子線路與脈寬調(diào)制 (PWM)驅(qū)動電子線路固化為一塊集成塊,用特殊連接技術(shù)固定在伺服閥內(nèi)。從結(jié)構(gòu)上取消了噴嘴-擋板前置級、用大功率的直線力馬達(dá)替代了小功率的力矩馬達(dá),用先進(jìn)的集成塊與微型位置傳感器替代了工藝復(fù)雜的機(jī)械反饋裝置-力反饋桿與彈簧管,從而簡化了結(jié)構(gòu),提高了可靠性,大大地降低了制造成本,卻保持了帶噴擋板前置級的兩級伺服閥的基本性能與技術(shù)指標(biāo)[3]。DDV閥現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于壓鑄、冶金等重工業(yè)設(shè)備上。
圖5 MOOG DDV伺服閥結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structural drawing of MOOG DDV Servo-valve
日本三菱公司與日本KYB公司合作研制了MK系列動圈式電液伺服閥,是一種新型力馬達(dá)驅(qū)動全電反饋電液伺服閥。MK閥分直動式伺服閥 (單級滑閥)和兩級伺服閥 (直動式伺服閥作先導(dǎo)閥加第二級主滑閥)兩種形式。它們分別與位置傳感器、傳感器放大器及伺服放大器構(gòu)成全電反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。
直動式MK閥的結(jié)構(gòu)如圖6所示,主要由三部分組成:力馬達(dá)部分、閥體部分及位移傳感器部分。電氣元件部分是干式的。動圈運(yùn)動時(shí)直接推動閥芯產(chǎn)生位移,閥芯的位移由位移傳感器檢測出并反饋回輸入端,形成電氣反饋。直動式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,電氣反饋使結(jié)構(gòu)更為簡單化,從而使可靠性提高。
兩級MK閥的結(jié)構(gòu)如圖7所示。第二級閥又稱為主閥,以直動式閥為先導(dǎo)閥來控制第二級主閥芯。主閥芯與差動變壓器式位移傳感器的鐵芯連接。主閥芯的運(yùn)動通過此位移傳感器轉(zhuǎn)換成與位移量成比例的電信號,該信號反饋回輸入端形成兩級電反饋。在主閥與先導(dǎo)閥之間設(shè)計(jì)了減壓閥,減壓閥可以保證給先導(dǎo)閥提供穩(wěn)定的供油壓力[4]。
MK系列電液伺服閥已經(jīng)應(yīng)用于寶鋼1580熱軋生產(chǎn)線上,從實(shí)際使用情況來看,MK系列閥相比于一般軋機(jī)上使用的噴嘴擋板型電液伺服閥抗污染能力強(qiáng),并且具有更高的頻響和可靠性,保證了寶鋼1580熱軋生產(chǎn)線穩(wěn)定高效地運(yùn)行。
壓電器件作為伺服閥驅(qū)動器是隨著壓電材料性能大幅度提高而發(fā)展起來的。壓電驅(qū)動器具有響應(yīng)快速,易于控制以及控制精度高的特點(diǎn)。應(yīng)用于伺服閥的壓電驅(qū)動器主要有雙壓電晶片型驅(qū)動器和壓電疊堆型驅(qū)動器兩種,雙晶片型主要用于噴嘴擋板閥,壓電疊堆型主用于直驅(qū)式伺服閥。
美國CSA工程公司研發(fā)了一種直驅(qū)式壓電伺服閥[5],圖8為直驅(qū)式壓電伺服閥結(jié)構(gòu)示意圖,圖9為直驅(qū)式壓電伺服閥原型機(jī),壓電疊堆替代了電磁轉(zhuǎn)矩馬達(dá)和液壓放大器。除此之外,在壓電伺服閥中無機(jī)械反饋裝置。上部的壓電疊堆驅(qū)動組件右側(cè)的垂直杠桿元件。杠桿有效放大了壓電運(yùn)動,使其增加了五倍甚至更多的行程。杠桿臂支點(diǎn)處把壓電材料密封,與液壓油隔絕,垂直位置的杠桿臂還避免了流體壓力對閥芯軸向加載使閥芯偏離中位的情況。閥套定位螺釘通過壓縮閥套預(yù)緊彈簧使得閥套內(nèi)的閥芯軸向定位。壓電疊堆使用來自羅克韋爾科學(xué)公司的一種特殊的高應(yīng)變PLZT材料。通過在左端蓋安裝反饋傳感器檢測閥芯狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)電控。
日本的Takahiro Urai等人用GMM轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)出了直動式伺服閥。GMM(Giant Magnetostrictive Material——超磁致伸縮材料)與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比,在一定磁場作用下能產(chǎn)生更大的長度或體積變化。圖10是GMM直動式伺服閥的原理圖,線圈中變化的電流產(chǎn)生磁場,使GMM伸縮,與GMM轉(zhuǎn)換器直接相連的閥芯繼而產(chǎn)生輸出位移,從而控制閥口開度,達(dá)到流量控制的目的。超磁致伸縮材料的變形特性為非線性,所以要用位置傳感器和放大級使用PI閉環(huán)控制的方法加以調(diào)節(jié)和克服。該閥的特點(diǎn)是采用閉環(huán)控制,結(jié)構(gòu)緊湊,精度高,響應(yīng)快[6]。
北京機(jī)床研究所在1995年末開始研制直接驅(qū)動式電液伺服閥并在1996年底試制了一批,圖11為該所研制的直驅(qū)式電液伺服閥結(jié)構(gòu)圖。該閥主要由3部分組成,即直線力馬達(dá)、液壓閥及放大器組件,其核心部分是直線力馬達(dá)。直線力馬達(dá)是由一對永久磁鋼,左、右導(dǎo)磁體,中間導(dǎo)磁體,銜鐵,控制線圈及彈簧片組成。當(dāng)一個(gè)電指令信號施加到閥芯位置控制器集成塊上,電子線路在直線力馬達(dá)上產(chǎn)生一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)電流,振蕩器就使閥芯位置傳感器(LVDT)勵(lì)磁,經(jīng)解調(diào)后的閥芯位置信號和指令位置信號進(jìn)行比較,閥芯位置控制器產(chǎn)生一個(gè)電流給直線力馬達(dá),力馬達(dá)驅(qū)動閥芯,一直使閥芯移動到指令位置,閥芯的位置與電指令信號成正比,伺服閥的實(shí)際流量是閥芯位置與通過節(jié)流口的壓力降的函數(shù)[7]。
浙江工業(yè)大學(xué)流體傳動及控制研究所的阮健等研制出2D數(shù)字換向閥,其結(jié)構(gòu)如圖12所示。步進(jìn)電機(jī)通過傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動閥芯在一定的角度范圍內(nèi)正、反向轉(zhuǎn)動。在閥芯的左端臺肩上軸對稱地開設(shè)兩對與進(jìn)油相通的高壓孔和與回油相通的低壓孔,在閥孔左端的內(nèi)表面上軸對稱地開設(shè)一對螺旋槽,其左端與閥左腔相通。當(dāng)閥芯在閥孔中處于正常的工作位置時(shí),高壓孔與低壓孔分別處于螺旋的兩側(cè),并且與螺旋槽之間形成微小的弓形縫隙,這兩個(gè)微小的弓形面積串聯(lián)而成阻力半橋,閥的右腔與進(jìn)油相通,其面積為閥芯左端面一半。當(dāng)閥芯相對靜止時(shí),閥左腔的壓力近似為進(jìn)油壓力的1/2,這時(shí)高低壓孔與螺旋槽之間所形成的微小的弓形面積相等。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯轉(zhuǎn)動使得高壓孔與螺旋槽之間形成的弓形面積增大、低壓孔與螺旋槽之間形成的弓形面積減小,則左敏感腔的壓力升高,閥芯所受的軸向力失去平衡,閥芯向右移動直到高低壓孔又回到靜止時(shí)與螺旋槽之間所處的相對位置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯反方向轉(zhuǎn)動,則左敏感腔的壓力下降、閥芯左移[8]。
圖12 浙江工業(yè)大學(xué)2D數(shù)字換向閥結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structural drawing of 2D digital reversing valve made by Zhejiang University of Technology
國內(nèi)也對直動式壓電伺服閥展開了研究,吉林大學(xué)沈傳亮等試制出一種新型壓電驅(qū)動單級電液伺服閥,圖13為直動閥的結(jié)構(gòu)圖。壓電疊堆的輸出位移通過右端延長桿作用到滑閥,再通過左端延長桿使彈性回復(fù)板發(fā)生形變。當(dāng)輸入電壓增加時(shí),壓電疊堆伸長,推動滑閥向左運(yùn)動;當(dāng)輸入電壓減小時(shí),由彈性回復(fù)板的回復(fù)作用力使滑閥向右運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)滑閥的雙向運(yùn)動[9]。
浙江大學(xué)丁凡教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2005年研發(fā)出如圖14所示的直動式電液伺服閥,閥芯采用滑閥式結(jié)構(gòu),閥體兩端采用對頂彈簧實(shí)現(xiàn)閥芯的對中,由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的輸出推桿直接驅(qū)動,電渦流傳感器的位移敏感器件與電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的位移輸出裝置連接,實(shí)現(xiàn)對閥芯位移的測量及反饋。為便于零位調(diào)節(jié),在閥體一端加入了調(diào)零裝置[10]。
太原理工大學(xué)王成賓等提出用直線步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動閥芯運(yùn)動的數(shù)字閥,通過連桿、連軸器組成的傳動裝置,將直線步進(jìn)電機(jī)的直線運(yùn)動傳遞給滑閥閥芯,如圖15所示??梢詫⒘髁?、壓力和方向等液壓系統(tǒng)的控制量轉(zhuǎn)化為脈沖電流由單片機(jī)直接控制。這種直線步進(jìn)數(shù)字閥可作為先導(dǎo)閥,也可以直接控制功率級閥芯,控制較大的流量和壓力[11]。
圖15 直線步進(jìn)電機(jī)控制的數(shù)字閥原理圖Fig.15 Schematic diagram of digital valve controlled by linear stepping motor
以上所述的直驅(qū)式電液伺服閥的閥芯均采用了直線運(yùn)動的滑閥形式,相對于滑閥而言,轉(zhuǎn)閥的問題是徑向力不平衡,限制了它的使用場合[12]。崔劍在浙江大學(xué)博士研究期間提出一種直動式電液伺服轉(zhuǎn)閥,其液壓組件采用轉(zhuǎn)軸式閥芯設(shè)計(jì),其閥芯閥套采用了對稱的幾何結(jié)構(gòu),使得閥芯沿徑向受力均勻,有效補(bǔ)償了轉(zhuǎn)閥的徑向不平衡力,通過減小運(yùn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量,提高了動態(tài)負(fù)載性能。
直動式電液伺服轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)如圖16所示,其雙向旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵的轉(zhuǎn)子通過柔性連軸器驅(qū)動轉(zhuǎn)軸式閥芯旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)伺服轉(zhuǎn)閥對油液方向,工作壓力和流量大小的控制。閥芯的對中與調(diào)零通過彈簧平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn),添加電渦流角度傳感器可實(shí)現(xiàn)閥芯角位移的反饋控制,提高該伺服轉(zhuǎn)閥的控制精度和工作性能[13]。
圖16 直動式電液伺服轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.16 Structural drawing of direct drive electromechanical servo reversing valve
在對常規(guī)電液伺服閥、電液比例閥結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)做了詳細(xì)的介紹,并分析了現(xiàn)階段國內(nèi)外主要的電磁直驅(qū)式電液伺服閥的技術(shù)特點(diǎn)后,對這三類閥進(jìn)行了性能比較見表1。
表1 伺服閥、比例閥、直驅(qū)閥性能對照表Table 1 Contrast table of servo valve,proportional valve and direct drive valve
新材料的發(fā)展帶動了電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的更新?lián)Q代,使其性能得到了顯著提高,衍生出了多種新型電磁直驅(qū)式電液伺服閥。表2對本文中涉及到的幾種電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器作了簡單的比較。
上述的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器都有自己獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn),但是也有自身的局限性。雖然可通過外部硬件和軟件系統(tǒng)加以改善,但是無疑增加了電磁直驅(qū)式電液伺服閥的復(fù)雜程度和制造成本。而近年來隨著伺服電機(jī)的驅(qū)動方式的改進(jìn),其快速性和精度在不斷提高,而且伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大,有較大的功率重量比,也不會出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步問題,控制方法成熟,其自身就可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)/半閉環(huán)控制,有著很高的性價(jià)比,是電磁直驅(qū)式電液伺服閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的理想元件。
表2 各類電 - 機(jī)械轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)[14]~[18]Table 2 Advantages and disadvantages of various electro-mechanical converters
采用伺服電機(jī)作為電磁直驅(qū)式電液伺服閥的動力源,研發(fā)創(chuàng)新的閥芯驅(qū)動方式,對轉(zhuǎn)閥可直接進(jìn)行驅(qū)動,也可設(shè)計(jì)運(yùn)動轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)驅(qū)動直線運(yùn)動的滑閥。利用CFD(Computational Fluid Dynamics——計(jì)算流體動力學(xué))方法進(jìn)行新型電磁直驅(qū)式電液伺服閥的電磁場、溫度場、壓力場、位移場的理論建模及數(shù)值模擬,優(yōu)化主閥體的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)直驅(qū)閥小型化。
另外,采用閥芯-閥套結(jié)構(gòu)的主閥體因污染而產(chǎn)生的失效形式有四種:沖蝕失效、淤積失效、卡澀失效、腐蝕失效[19]。針對這一問題,可對關(guān)鍵零部件采取表面硬化處理或使用特殊材料。例如star公司制造的伺服閥中,節(jié)流口和反饋桿頂部都使用了藍(lán)寶石材料,而柔性套筒則以鈦金屬作為原材料。從實(shí)際使用情況看,大大提高了伺服閥的使用壽命。
針對伺服電機(jī)直驅(qū)式電液伺服閥展開控制理論與技術(shù)的相關(guān)研究工作,使控制系統(tǒng)元件能夠與直驅(qū)式電液伺服閥相匹配,實(shí)現(xiàn)閥的全閉環(huán)控制和自檢測功能,最終實(shí)現(xiàn)對液體流量、壓力、方向的在線控制。
(1)電磁直驅(qū)式液壓閥將新型電機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、液壓技術(shù)和機(jī)械技術(shù)緊密結(jié)合,隨著新型高性能電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn),為電磁直驅(qū)式大規(guī)格電液伺服閥的工業(yè)化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
(2)電磁直驅(qū)式電液伺服閥結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)速度快、工作可靠、抗污染能力強(qiáng)、維修使用成本低,是今后電液伺服閥的主要發(fā)展方向。
(3)目前用于擠壓與鍛造設(shè)備中的大規(guī)格電液伺服閥采用常規(guī)的多級放大控制方式,造成了該閥體積龐大,對油液的過濾精度要求苛刻,價(jià)格昂貴,且主要依賴于國外幾個(gè)著名企業(yè)進(jìn)口。而電磁直驅(qū)式電液伺服閥很適合在惡劣工況下工作的擠壓設(shè)備與鍛造設(shè)備中使用。
(4)應(yīng)加大對適用于擠壓與鍛造設(shè)備的新型電磁直驅(qū)式大規(guī)格電液伺服閥的研發(fā)力度,盡快開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的相應(yīng)產(chǎn)品,提高我國擠壓與鍛造設(shè)備的國際競爭力。
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