电液比例阀的研究综述及发展趋势

文章编号:　1005—0329(2008)08—0032—06

技术进展

电液比例阀的研究综述及发展趋势

张　弓,于兰英,吴文海,柯　坚

(西南交通大学,四川成都　610031)

摘　要:　电液比例阀是电液比例控制技术的核心元件,它按照输入电信号指令,连续成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。综述了比例压力阀和比例流量阀国内外的研究进展,并且对比例阀未来的发展趋势进行了展望。

关键词:　电液比例阀;比例压力阀;比例流量阀;综述

中图分类号:　TH137.52 文献标识码:　A

Rev i ew and D evelop m en t Trend of Electro2hydrauli c Proporti ona l Va lve

ZHANG Gong,Y U Lan2ying,WU W en2hai,KE J ian

(South west J iaot ong University,Chengdu610031,China)

Abstract:　Electr o2hydraulic p r oporti onal valve is the key component in electr o2hydraulic p r oporti onal contr ol technique,accord2 ing t o the input electric signal,the para meters such as p ressure,fl ow and directi on of hydraulic system are contr olled continuous2 ly and p r oporti onally.An over revie w of the p r oporti onal p ressure valve and p r oporti onal fl ow valve at home and abr oad is su mma2 rized.Finally,the devel poment trend of p r oporti onal valve is discussed.

Key words:　electr o2hydraulic p r oporti onal valve;p r oporti onal p ressure valve;p r oporti onal fl ow valve;revie w

1　前言

电液比例阀,是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件,代表了流体控制技术的发展方向[1]。它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用电-机械转换装置,将电信号转换为位移信号,按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。

虽然比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比,性能在某些方面还有一定的差距。但电液比例阀抗污染能力强,减少了由于污染而造成的工作故障,可以提高液压系统的工作稳定性和可靠性,更适用于工业过程;另一方面,比例阀的成本比伺服阀低,而且不包含敏感和精密的部件,更容易操作和保养,因此在许多场合电液比例阀获得了广泛的应用[2]。

2　国内外研究现状及发展趋势

根据用途和工作特点的不同,比例阀可以分为比例压力阀(如比例溢流阀、比例减压阀)、比例流量阀(如比例节流阀、比例调速阀)和比例方向阀(电液比例换向阀)三类。电液比例换向阀不仅能控制方向,还有控制流量的功能。下面分别综述比例压力阀和比例流量阀国内外的研究进展。

2.1　比例压力阀研究工作综述

1967年瑞士布林格尔(Beringer)公司生产出K L用于船体表面除锈涂漆工艺的比例方向节流阀,这是世界上最早的比例阀[3]。1971年和1972年日本油研(Yuken)公司相续申请了比例压力阀

收稿日期:　2008—05—07　修稿日期:　2008—06—06

基金项目:　国家“863”项目(2006AA09Z226)

23 F LU I D MACH I N ERY Vol136,No108,2008

和比例流量阀的专利,引起了许多国家及公司的广泛重视,推动了比例阀技术的发展[4]。这期间出现的比例压力阀(溢流阀和减压阀)基本是以传统手调液压阀为基础发展而来,区别仅是用比例电磁阀铁取代了阀上原有的弹簧手调机构,阀的结构原理和设计准则几乎没有变化。小流量阀采用直接作用式结构,大流量阀仍采用1936年美国人维克斯(Harry V ickers)发明的“差动式压力控制原理”[5、6]。因为不包含受控参数的反馈环节,导致控制压力随着负载流量的不同而改变,这是此类比例阀的主要不足,而且由于比例电磁铁性能较差,这类比例阀的工作频宽低(仅1～5Hz),稳态磁环大(4%～7%),体积也大,多用在开环系统[7]。

20世纪80年代初,浙江大学路甬祥提出了压力直接检测原理,他应用该原理设计的比例溢流阀获得了德国发明专利[8]。按此原理,国内外研制的比例溢流阀和比例减压阀的性能都获得了显著提高,实现了人们长期以来所追求的等压力特性[9]。

从20世纪80年代后期开始,比例压力控制技术的又一进展是采用电气闭环校正,出现了被控压力%压力传感器检测的新一代比例压力阀。采用这种原理可将电-机械转换器的非线性和先导阀的非线性扰动都包含在闭环之内,因而可实现无静差控制,同时利用电气校正也可以很方便地改善阀的稳定性和快速性。文献[10]介绍的采用力矩马达驱动单喷嘴挡板阀作先导级的压力直接电检测型比例溢流阀和比例减压阀,其稳态特性达到了当时几乎完美的程度。日本油研(Yuken)公司同期推出的这种比例溢流阀更将电控器、放大器、压力传感器与阀集成为一体,阀上还带有压力数字显示和报警装置[11]。国内浙江大学也研制成功采用这一原理和P I D调节技术的三通型比例压力阀,获得了同样的效果[12]。为完善这一技术,国外还发展了将A/D、D/A转换器、放大器与检测单元集成为一体的压力传感器,降低了生产成本、提高了可靠性和精度,这一技术将成为比例压力控制的主要手段[13]。

在模拟型比例元件发展的同时,数字式的比例阀也获得了蓬勃发展。由步进电机驱动的增量式数字压力阀和用开关电磁铁操纵的高速开关型数字压力阀都已达到了使用阶段[14、15]。同模拟式阀相比,数字式的比例阀的优点是更抗污染,开环控制精度高,无需A/D和D/A转换器就能直接与计算机接口。不足之处是受控制功率的限制,系统频宽较低,使得应用范围受到了限制。

为改善比例压力阀的性能,国内外学者做了大量的研究工作。德国亚琛工业大学(Aachen T H)的泽纳(F.Zehner)在文献[16]中重点研究了直接检测的比例压力阀,并特别介绍了采用直接压力电检测的比例溢流阀。我国浙江大学的郁凯元在文献[17]中,分别研究了采用系统压力直接检测和主阀芯速度反馈的比例溢流阀和比例减压阀,并提出采用主阀的三通结构来改善比例减压阀在无负载时的控制性能。

此外,国内吴良宝等人用功率键合图的方法对比例溢流阀的性能进行了研究,主要研究了阻尼网络对比例溢流阀性能的影响[18]。印度学者达斯古浦塔(Dasgup ta)也用功率键合图的方法对电磁比例先导溢流阀的性能进行了研究,并建立了比例阀的非线性模型[19]。文献[20]对采用B型液桥的直接检测型比例溢流阀的性能进行了仿真及优化设计,改善了比例溢流阀的性能。国外学者曼科(S. Ma mco)对带先导流量恒定器的减压阀和多种先导级结构的直接检测型溢流阀进行了仿真和试验研究[21]。文献[22]提出在主阀芯上开不同圆形槽的方法改善了先导式比例溢流阀的压力特性。文献[23]研究了在滑阀上开槽的方式来消除滑阀的稳态液动力并用这种方法设计了单级的大流量溢流阀,取得了与双级控制同样的效果。

在对比例压力阀性能进行大量分析和研究的同时,许多研究者也致力于从结构原理上对比例阀进行改进。德国亚琛工业大学(Aachen T H)的文加登(F.W einganten)应用线性液阻代替圆孔阻尼器,使溢流阀的动态超调量及快速性略有改善[24]。文献[25]提出用主阀芯与导阀芯之间的位置随动反馈来提高压力直接检测型溢流阀的快速性和稳定性的方法,该阀具有较好的压力流量特性。国内学者曾祥荣研究了采用液动力补偿的大流量直动式比例溢流阀,并且还对这种阀所采用的液动力补偿方法作了进一步的研究[26]。1986年日本油研(Yuken)公司和德国派克(Par2 ker)公司分别申请了压力直接电检测的比例溢流阀和压力间接电检测的比例溢流阀专利,这些都推动了压力电检测技术的发展[27、28]。

湖南大学黄勇针对比例压力阀,在对比分析多种阀芯和阀腔几何结构后,优化设计出一种新

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2008年第36卷第08期 流　体　机　械