电液比例阀与电液伺服阀性能比较及前景展望

HydraulicsPneumatics&Seals/No.4.2008 电液比例阀与电液伺服阀性能比较及前景展望 苏东海 任大林 杨京兰 （沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110023） 摘 要：电液比例阀以及电液伺服阀分别是电液比例系统以及电液伺服系统中的重要元件，比例阀以及伺服阀的发展状况从一定意义 上说说明了比例技术以及伺服技术的发展状况。本文中以电液比例换向阀和电液伺服阀为例详细介绍了其工作原理，并从性能、方展 前景等方面分别对两类阀进行了阐述，使我们对其有了更深刻的认识。 关键词：电液比例阀；电液比例换向阀；电液伺服阀；性能 中图分类号：TH137 文献标识码：B 文章编号：1008-0813（2008）04-0001-04 ComparisonofElectro-hydraulicProportionalValveand Electro-hydraulicServoValveonPerformances SU Dong-haiYANG Jing-lan REN Da-lin (MechanicalEngineeringCollege,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110023,China) Abstract: Electro-hydraulicproportionalvalveandelectro-hydraulicservovalveareimportantelementsinthesystemofproportional controlandservocontrolindividually.Tosomeextent,thedevelopmentofthevalvescanrepresentthedevelopmentofthecontroltechnolo- gy.Inthispaper,theauthortakingtheelectro-hydraulicproportionaldirectionalvalveandtheelectro-hydraulicservovalveasexample analysestheoperatingprincipleofthetowkindsofvalves,andalsogivesusanintroductiononitsperformancesandforegroundindividu- ally.Allaboutofthesemakeusknowthetowkindsofvalveswell. KeyWords: electro-hydraulicproportionalvalve；electro-hydraulicproportionaldirectionalvalve；electro-hydraulicservovalve；perfor- mances 0 引言 液压工业己成为全球性的工业，国际液压界一些 著名公司如美国的派克汉尼汾公司（PARKER HAN- NIFIN）、德国的力士乐 （REXROTH）和博世公司 （BOSCH）等居世界领先地位，我国液压工业距国外还 有一定的差距。 现代液控技术始于第一次世界大战后。今天，机电 一体化的进程对液控技术提出了更多的需求，而计算 机技术和控制理论的发展则为液压技术注入了新的动 力。电液比例阀与电液伺服阀作为液压系统中的重要 控制元件，分别代表了电液比例技术与电液伺服技术 的发展情况。电液伺服阀与电液比例阀的出现使液压 系统与现代化的电子技术结合的更加紧。 1 性能简介 电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服 控制元件，它能将微弱的电信号转换成大功率的液压 信号（流量和压力）。用它作转换元件组成的闭环系统 称为电液伺服系统。电液伺服系统用电信号作为控制 信号和反馈信号，灵活、快速、方便；用液压元件作执行 机构，重量轻、惯量小、响应快、精度高。对整个系统来 说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件；对系统中 的液压执行机构来说，电液伺服阀是控制元件；阀本身 也是个多级放大的闭环电液伺服系统，提高了伺服阀 的控制性能。电液伺服系统是液压伺服系统和电子技 术相结合的产物，由于它具有更快的响应速度，更高的 控制精度，在军事、航空、航天、机床等领域中得到广泛 的应用。目前，液压伺服系统特别是电液伺服系统己经 成为武器自动化和工业自动化的一个重要方面，应用 十分广泛。 电液比例控制技术是一门比较年轻的技术，它的 发展和普遍应用还不到50年，然而凭借着它的优点却 形成了流体传动与控制领域的一个重要分支，并成为 现代液压控制工程的基本技术构成之一。电液比例阀 是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动 作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此 完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯 位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。对应于 普通的液压阀都能够找到一种与之对应的电液比例 阀。电液比例阀可以用于开环系统中实现随液压参数 的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控 制系统。电液比例技术虽然起步比电液伺服技术晚，但 是近年来发展却比较迅速，而且在液压系统中的应用 收稿日期：2007-12-06 作者简介：苏东海(1964-)，男，黑龙江省牡丹江市人，教授、博士，主要从 事液压技术方面的科研和教学工作。 1 液压气动与密封/2008年第4期 也是越来越广泛。 电液比例阀与伺服控制系统中的伺服阀相比， 在某些方而还有一定的性能差距，其主要性能比较 如表1所示，但它显著的优点是抗污染能力强，大大 地减少了因污染所造成的工作故障，提高了液压系 统的工作稳定性和可靠性。另一方面比例阀的成本 比伺服阀低，结构也简单，己在许多场合获得广泛应 用。 表1 电液伺服、比例、开关元件的性能对比 电液伺服阀具有体积小、功率放大率高、直线性 好、死区小、响应速度快、运动平稳可靠，能适应模拟量 和数字量调制等优点，所以在各种电液伺服系统中得 到了极广泛的应用，成为系统中的“心脏”，受到特别的 重视。 在液压系统中，电液伺服阀虽然有以上所列优点， 但是由于它对油液介质条件要求高，价格昂贵等的限 制与电液伺服阀相比，电液比例阀的出现使这些限制 条件都有所减低。与电液伺服阀相比，电液比例换向阀 优点： （1）加工精度没有电液伺服阀要求高，因此其价格 较低； （2）相对于电液伺服阀来讲，对液压油的要求较 低，抗污染能力较强； （3）由于存在不灵敏区和滞环，在其不带电时的安 全稳定性好。 2 工作原理分析 在液压系统中，比例阀以及伺服阀的种类基本上 都是与普通阀的种类一一对应的。在此笔者以电液比 例换向阀和电液伺服阀为例来说明他们的工作原理。 2.1电液伺服阀工作原理 电液伺服阀的工作原理如图1所示。当工作压力 油由进油口P进入阀内，分别经两个节流孔进入滑阀 两端的油腔，然后再由两个喷嘴与针形挡板中间的隙 缝中流出，回到油箱，当没有控制电流输入时，针形挡 板在两个喷嘴端面的中间位置，此时，两个喷嘴孔和两 固定节流孔的压力参数相等，因而滑阀的两端油腔的 压力相等，滑阀处于中间平衡位置。关闭各通道，伺服 阀没有压力输出。行走主液压泵斜盘的控制油缸不动 作，而使主液压泵不做功。 当输入控制电流I>0时，力矩马达会产生一个偏转 力矩，带动针形挡板偏转一个角度，此时，由于针形挡 板的偏转动作，使原来喷嘴与针形挡板的间隙变为一 边隙缝大，一边隙缝小，因此，喷嘴隙缝大的滑阀油腔 压力降低，喷嘴隙缝小的滑阀油腔压力增大，在滑阀两 端油腔的压力差的作用和针形挡板的拨动下，滑阀被 推向隙缝大的一边，当滑阀滑动时，针形挡板也同时起 反馈作用，它用本身具有的弹簧力与作用在滑阀上的 油液相互作用，直到大小相等、相互平衡为止。此时，滑 阀有一定的开口量，进油口P从的压力油通过滑阀的 开启，通向主液压泵斜盘的控制油缸，使主油泵动作。 输入的控制油压越大，滑阀的偏移量也越大。当输入的 控制电流I<0时，力矩马达会产生一个和输入电流I>0 时相反的偏转力矩，使伺服滑阀向相反的方向移动使 执行机构也反向运动。 图1 电液伺服阀原理图 2.2 电液比例换向阀的工作原理 电液比例换向阀的工作原理如图2所示。当电信 号输入给比例电磁铁时，比例电磁铁将电信号转换成 机械位移，使双向减压阀芯移动，这时从P点进入的压 力油经减压阀芯流到液动换向阀芯的油腔，推动阀芯 移动，使压力油P与P1相通、P2与T相通；当电信号输 入另一电磁铁时，压力油P就会与P2相通，P1与T相 通，阀上没有反馈油孔，反馈油压经反馈油孔分别引向 减压阀芯的两端，当作用在减压阀芯的液压力与电磁 铁的电磁力相等时，减压阀芯即处于平衡状态。阀的输 出流量大小和液流方向可以由输入电信号的大小及方 向来控制。 2 HydraulicsPneumatics&Seals/No.4.2008 图2 电液比例换向阀原理图 通过上述工作原理分析可以知道，电液比例换向 阀和电液伺服阀都是将电信号转换成阀芯位移信号， 再转换成压力信号来控制液压系统的工作。所以在一 些控制精度要求不是特别高的场合可以用电液比例换 向阀替代电液伺服阀来实现其控制性能。另外，电液比 例阀在价格上与电液伺服阀相比还是有很大的优越性 的。在现代化工业生产中已经有先例证明了电液比例 阀取代电液伺服阀的可行性。比如：奥钢联生产的90t 超高功率电炉液压站中电动机升降控制阀就是采用了 电液比例换向阀，其使用效果优于我国北钢设计院设 计的精炼炉液压系统的电液伺服阀。广州火电总公司 液压系统采用电液比例换向阀替代电液伺服阀成功改 造3台设备，动作安全可靠，操作灵活，未出现故障。因 此，可以说明电液比例换向阀替代原装电液伺服阀是 可行的。 3 发展趋势 3.1电液比例阀发展趋势 （1）提高控制性能，适应机电液一体化主机的发 展。提高电液比例阀及远控多路阀的性能，使之适应野 外工作条件。并发展低成本比例阀，其主要零件与标准 阀通用。 （2）比例技术与一通和二通插装技术相结合，形成 了比例插装技术，特点是结构简单，性能可靠，流动阻 力小，通油能力大，易于集成;此外出现比例容积控制为 中、大功率控制系统节能提供新手段。 （3）由于传感器和电子器件的小型化，出现了传感 器、测量放大器、控制放大器和阀复合一体化的元件， 极大地提高了比例阀（电反馈）的工作频宽。主要表现 在一下几个方面： 1）高频响、低功耗比例放大器及高频响比例电磁 铁的研制，1986年西德BOSCH公司提出高性能闭环控 制比例阀，由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应 的放大器，并含位置反馈闭环，其流量输出稳态调节特 性无中位死区，滞环仅0.3%，零区压力增益达3%额定 控制电压，负载腔达80%供油压力，工作频宽和性能能 己达高水平伺服阀，而成本仅为后者的1/3。 2）集成式放大器的位移传感器（200Hz）的开发，为 电反馈比例阀小型化，集成化创造良好的条件。加拿大 的 MICROHYDRAULICS公司生产的高性能电液比例 流量阀 CIJTOPS可提供伺服阀特性而是比例阀的价 格，工作频宽达40Hz。 3）伺服比例阀(闭环比例阀)内装放大器，具有伺服 阀的各种特性：零遮盖、高精度、高频响，但其对油液的 清洁度要求比伺服阀低，具有更高的工作可靠性。如酉 德BOSCH公司生产的NG10伺服比例阀。 4）PID调节技术的应用，改善系统的稳态性，使之 有较好的动态响应指标，可利用计算机对PID参数进 行最优化数字化或利用实验研究来获得实际线路PID 参数的优良匹配。 3.2电液伺服阀的发展趋势 液压伺服系统向高性能、高精度和自动化方向发 展需要，伺服阀主要发展方向是: （1）标准化 日前，国内在研究、生产和使用电液 伺服阀方而虽然己初具规模，型号品种也基本相当于 国外大部分产品，但由于各自为政、力量分散，标准不 很 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，十分不利于伺服阀的进一步发展。因此，着重 解决标准化问题己成当务之急。 （2）虚拟化 利用CAD技术全面支持伺服阀从概 念设计、外观设计、性能设计、可靠性设计到零部件详 细设计的全过程，并把计算机辅助设计（CAD）、计算机 辅助分析（CAT）、计算机辅助工艺规划（CAPP）、计算机 辅助检验（CAI）、计算机辅助测试（CAT）和现代管理系 统集成在一起，建立计算机制造系统（CIMS）使设计与 制造技术有一个突破性的发展。 （3）智能化 发展内藏式传感器和带有计算机、自 我管理机能（故障诊断、故障排除）的智能化伺服阀，进 一步开发故障诊断专家系统通用工具软件，实现自动 测量和诊断。还应开发自补偿系统，包括自调整、自润 滑、自校正，这是液压行业努力的方向。另外，借助现场 总线（Field Buses），实现高水平的信急系统，从而简化 伺服阀的使用、调节和维护。 （4）数字化 电子技术与液压技术的结合的一个 方向。通过把电子控制装置安装于伺服阀内或改变阀 的结构等方法，形成了种类众多的数字产品。阀的性能 由软件控制，可通过改变程序，方便地改变设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、 实现数字化补偿等多种功能。 （5）微型化 随着液压技术的进步及竞争的加剧， 微型伺服阀的技术以体积小、重量轻、单位功率大等优 3 液压气动与密封/2008年第4期 点而越来越受到重视。研究重点增大压力的优势，应用 先进 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 和复合材料降低重量和铸造工艺的发展，如 铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件 内部流动，实现元件小型化。 （6）绿色化 减少能耗，泄漏控制，污染控制。将发 展降低内耗和节流损失技术以及无泄漏元件。如实现 无管连接，研制新型密封等；发展耐污染技术和新的污 染检测方法，对污染进行在线测量；可采用生物降解迅 速的压力液体，如菜油基和合成脂基的传动用介质将 得到广泛应用，减少漏油对环境危害，适应环境保护 （降低噪声和振动、无泄漏）。 4 结论 电液比例技术虽然起步比较晚，但是由于近年来 耐高压电磁铁和比例放大器技术的成熟，使得电液比 例元件的工作性能更大的得到了提高。电液伺服技术 的发展也在原有高精度、高性能的基础上朝着标准化、 虚拟化、智能化、数字化、微型化以及绿色化等更高的 方向发展。相信，随着电子技术、液压技术的不断发展， 它们的结合会越来越紧密，电液比例技术以及电液伺 服技术也都会不断的向前发展。 参 考 文 献 [1] 路甬祥等.电液比例控制技术[M].北京：机械工业出版社. 1988. 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KeyWords: sealing gasket;selection;installation 收稿日期:2007-12-18 作者简介:严旭明（1975-），男，1997年毕业于西安矿业学院，机械设计与 制造专业，机械工程师，现工作于中国铝业青海分公司第二电解厂从事 设备管理工作。 0 前言 垫片密封在现代工业企业中占有很重要的地位， 密封的好坏直接关系到生产的连续、财产的安全、节能 与环保以及人们的身心健康，因此垫片的发展越来越 受到人们的重视。随着现代工业特别是近代石油、化学 工业、原子能工业、大型电站的兴起，压力容器向高温、 高压、高真空、深冷和大型化、多系列方向发展，对垫片 密封不断提出新的要求，各种新型材料新型结构不断 出现，其密封性能也是千差万别。此外，压力的波动，温 度的变化，螺栓预紧力的松弛，法兰的倾斜、错位，密封 面的缺陷，介质的腐蚀都会对密封效果产生很大的影 响。因此，如何根据工况正确选择合适的密封垫片以及 如何正确安装是保证密封效果的关键之所在。 1 密封垫片的选型 1.1影响垫片选型的重要因素 垫片选择不是一项容易的工作，尤其在垫片密封 材料的选择方面，要考虑诸多因素。在法兰连接处所出 4