伺服比例阀的发展

表 2 伺服阀 、比例阀 、早期比例阀性能对照表
伺服阀
比例阀
早期比例阀
电 2机械 转换器
力马达 、 力矩马达
比例电磁铁
比例电磁铁
频响 (Hz) 零位死区 加工精度 线圈功率 (W ) 滞环 ( % )
体积
20～200 无
μm 级 0. 05～5
1～3 小
～30 有 10μm 级 10～24 1～3 大
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 1 为某公司对 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 。
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 四研究所 。目前 , 该所在原 CSD Y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 。 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 。
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 μ级 ,而且一般没有阀 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 μ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 2～4μm。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
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称为电液伺服比例阀 [ 2 ] 。 由比例阀发展而来的伺服比例阀在结构上具有如
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]。
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 ) 。某公司的 D660 系列就是其中一种 。以 D661 伺服比例阀为例 ,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 ,它有以下工作特点 :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 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 。 5 国内射流管伺服比例阀
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
收稿日期 : 2008209204 作者简介 : 黄增 ( 1968—) ,男 ,陕西西安人 ,研究员 ,研究方 向 :射流管伺服阀与伺服控制系统 。
同时也设计了基于 C + +Builder气动肌肉机械手 的控制界面如图 7a所示 ,在控制界面中可以根据需要 给每根气动肌肉输入不同的气压值 ,通过控制界面也 可以得到气压和关节转动角度之间曲线关系如图 7b 所示 。
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设计了研究分析气动人工肌肉驱动特性的实验平
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1～5 有 10μm 级 10～30 4～7 大
使用场合
闭环
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 下 ,在一般比例技术与伺服技术之间 ,出现了新的层面 上吸收两者优势而形成的更高一级的比例阀 ,也常被
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 Hz,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 2机械转换器
表 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 )
10ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
液压先导级 (供油压力 015～2 M Pa)
5～20
液压先导级 (供油压力 21 M Pa)
200
表 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 。
图 7 关节的控制界面与实验曲线
根据图 8,当气动人工肌肉在 0. 1 ～0. 3 M Pa时 , 气动人工肌肉的内部气压和转动角度有较好的线性关 系 ,同时也证明了在这个气压范围内 ,气动人工肌肉的 内部气压和其收缩量之间的线性关系 。通过实验结合 图 8表明关节的转动角度范围约为 - 35°～35°。 4 结论
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伺服比例阀的发展
黄 增 , 金瑶兰 , 李 博
Development of Servo Proportional Valve
HUANG Zeng, J IN Yao2lan, L I Bo
(中船重工集团第七 四研究所 伺服阀产业部 , 上海 200070)
摘 要 :该文对伺服阀和比例阀特点进行了比较 。介绍了由常规比例阀发展而来的高性能比例阀 ;同时 为了满足工业场合的使用要求 ,伺服阀也开始由高端向中端发展 ,这两者往往被称为伺服比例阀 (或比例伺 服阀 ) 。中船重工集团第七 四研究所在原有射流管伺服阀的基础上 ,通过采用一些新技术 ,发展了具有自 身特色的射流管伺服比例阀 。
台 ,结合气动人工肌肉的驱动特性 ,设计了基于气动人 工肌肉的机械手关节 。
(1) 通过实验得到气动人工肌肉收缩量及其内部 气压关系曲线 。分析得到最佳适用气动人工肌肉变形 的内部气压范围为 0. 18～0. 33 M Pa;
(2) 通过实验分析了气动人工肌肉内部气压和机 械手关节转动角度的关系 ,曲线关节的转动角度范围 约为 - 35°～35°,当气动人工肌肉在 0. 1 ～0. 3 M Pa 时 ,气动人工肌肉的内部气压和转动角度有较好的线 性关系 。
目前德国和意大利有两个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 Hz,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 1所示为某公司的典型伺服比 例阀结构 。
图 1 某公司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 , 需加入温度补偿等校正电路 ,放大器成本比较高 ,故障 率相对较高 。此外 ,伺服比例阀体积较大 ,故适用于流 量较大 、对场地要求不高的闭环控制场合 。目前国内 暂无成规模生产伺服比例阀的厂家 ,用户使用的均为 国外产品 ,成本较高 ,订货周期长 。 4 伺服阀向伺服比例阀发展
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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 。
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 ] ,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 。
电液伺服阀与电液比例阀最大的差别在于电 2机 械转换器 。比例阀电 2机械转换器采用比例电磁铁 ,因 此不论其是否带检测元件 (反馈闭环 ) ,它的控制电流 较大 ,从几百毫安到 1 ～2 安培均有 。故放大器功率 大 、价格高 ,且相对容易烧管子 。这抵消了比例阀机械 部件精度相对较低带来的价格优势 ,综合可靠性较低 。 伺服阀 ,不论是射流管式还是双喷嘴档板式 ,其控制电 流只需几毫安到几十毫安 ,控制功率很小 ,一般为几十 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
关键词 :伺服比例阀 ; 伺服阀 ; 比例阀 ; 射流管
中图分类号 : TH13715 文献标识码 : B 文章编号 : 100024858 (2009) 0120076204
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
下特点 :利用大电流的比例电磁铁作为电 2机械转换 器 ,控制电流可达 1 ～2. 7 A;首级采用伺服阀的阀芯 阀套 ; (首级 、主级 )阀口零遮盖 ;首级阀口压降与伺服 阀一样 ,为供油压力的 1 /3,如有二级 ,则二级阀口压 降保留比例阀水平 ( 0. 5 ～0. 7 M Pa) [ 2 ] 。这种伺服比 例阀无零位死区 ,可以用于各种闭环系统 ,因而加工精 度与过滤精度要求与伺服阀相同 ;频响较一般比例阀 高 ,可靠性比普通伺服阀高 。
液压伺服控制因响应快 、精度高和功率 2重量比大 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 [ 3 ] 。
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 NAS9 级 。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 、阀芯卡死引起故障 [ 4 ] 。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