电液比例阀在液压系统中的应用

电液比例阀在液压系统中的应用

20世纪70年代以来，随着对各种工业工程的深入研究和现代微电子技术的发展，工程控制理论的应用逐渐从航空、航空航天和军事工程领域转向民用工业部门。电液比例技术作为连接现代微电子技术和大功率装备,尤其是工程控制设备之间的桥梁,已经成为现代控制工程的基本技术构成之一［1］。广义上,在应用液压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中,凡是系统的输出量,如流量、压力、转速、位移、速度等,能随输入控制信号连续成比例地得到控制的,都可称为比例控制系统。在工程应用上,往往根据输入信号的不同和系统构成的特点等,将广义的比例控制系统作出如下区分:根据输入控制信号方式,分为手动(比例)控制和电液控制;根据控制系统构成特点和技术特性,进一步将广义概念上的电液控制区分为一般概念上的电液伺服控制和电液比例控制［2］。以下主要对电液比例阀的结构和工作原理与研究现状进行分析。1电液控制技术在工业领域的应用电液伺服系统广义上可认为是一种比例控制技术的特殊应用,因而,比例控制技术与电液伺服控制技术具同样长的发展历史。电液伺服系统首次出现在二战后期的德国的“飞弹”(导弹的雏形)上,并在二战后得到了飞速的发展,形成了完善的液压系统控制理论。电液控制技术由于其有机地融合了液压系统的大功率、大刚度、高频响的优点以及电子技术信号传递和处理方便等优点,在航空航天、自动武器、钢铁、电站等重要的国家战略工业领域得到广泛应用,并迅速取得巨大成功［3］。20世纪60年代后期,为满足工业技术更高的发展要求,各类民用工程对电液控制技术的需求也显得更为迫切与广泛。但是,应用于电液伺服系统的伺服阀对油液的污染度十分敏感,而且其追求零位特性以满足闭环控制的要求,对关键零部件的加工和装配精度十分严苛以致造价昂贵,因而难以为各工业用户所接受［4］。由于传统的电液开关控制(通断控制)又不能满足高质量控制系统的要求。因此,为适应开发一种可靠、价廉、控制精度和响应特性均能满足工程技术实际要求的电液控制技术,电液比例阀应运而生,并取得飞速发展。1.1比例控制的发展20世纪60年代后期瑞士Beringer公司研制出KL型比例复合阀及20世纪70年代初日本油研公司申请了压力和流量两项比例阀专利,标志着比例技术的诞生时期［5］。这一阶段的比例阀仅仅是将比例型电-机械转换器用于工业液压阀,以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化,大多不含受控参数的反馈闭环。20世纪70年代后期,人们将控制原理中的反馈校正原理引入到比例元件的设计当中,相关产品相继问世,先后出现直接位置反馈比例换向阀、位置-力反馈比例换向阀、流量-压差反馈K-G阀、压力反馈比例换向阀、单喷嘴-挡板压力阀、位置-力反馈式调速阀等。耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。反馈控制原理的引入使得比例阀的控制性能有了很大的提高,其频宽已能达到5~15Hz,滞环也基本控制在3%左右,比例阀产品在工业生产中的应用日益扩大［6］。这可以认为是比例技术发展的第二阶段。20世纪90年代中后期开始,比例技术在固定工程设备上不断得到广泛应用的同时,开始大量进入行走机械领域,各种节能的负载敏感控制、负载适应控制等节能器件与系统日益增多［7－8］。另一个重要进展就是为适应电液比例闭环控制的快速增长的需要,出现了在一个新层面上伺服技术与比例技术相结合的产物,即伺服比例阀,使得比例技术与伺服技术的交融与整合更进一步［9］。电液比例技术发展至今,几乎所有的普通压力阀、换向阀都可以找到相应的比例阀产品,部分比例阀的控制性能已基本能达到与伺服阀相当的水平,可以大胆地预测在未来相当一段时间里电液比例控制技术在工业领域的应用将更加广泛。1.2电液伺服型电液模型的早期发展表1［10］从不同角度列出了电液伺服元件,电液比例元件和开关元件的性能对比。由表1可见,现今电液比例元件的性能比其早期已有了显著的提高。除比例元件具有中位死区外,在滞环、重复精度等主要的稳态特性上已与伺服阀相当,而工作频宽又具有足以满足大部分工业系统控制要求的相当水平,电液比例阀获得了比电液伺服元件更为广泛的应用领域;在对介质过滤精度要求、阀内压力损失和价格方面,又接近开关阀。在控制较复杂,特别是对控制性能要求较高的场合,传统开关阀正逐渐被比例阀所代替。2电液比例阀的结构和工作原理2.1比例电磁铁的其他特性电液比例阀从20世纪60年代出现至今不断发展,并在液压系统中得到日益广泛的应用,在很大程度上得益于其电-机械转换器———比例电磁铁。比例电磁铁的结构经由电磁换向阀的螺管式开关电磁铁改进、演化而来,如图1(a)所示。在隔磁环处,比例电磁铁的磁路分为两路,一路从止推盆形轭铁锥面进入导磁外壳;而另一路通过轭铁盆底进入导磁外壳。比例电磁铁线圈通电激磁后,在有效行程δm内,前者产生的电磁力Fm1随衔铁位移xm增加而减小,后者产生的电磁力Fm2随衔铁位移xm增加而增加。经过优化结构参数,两者合成后可以得到比例阀控制所需要的水平的行程-推力特性,如见图1(b)所示。此外,与其它的电-机械转换器相比,比例电磁铁还具有有效工作行程较长、推力大等优点,加上其结构简单,并与电磁换向阀的螺管式开关电磁铁相近,在液压阀中应用,其可靠性易于得到认可与接受。图1(a)所示的比例电磁铁只能输出单向电磁推力,应用于三位换向阀驱动时,可以采用两只比例电磁铁安装于阀芯的两端按双向推动的方式工作,也可以将电磁铁制成双向比例电磁铁满足三位换向阀的使用要求。虽然比例电磁铁的磁路与电磁换向阀的开关电磁铁不同,但同为螺管式电磁铁,易于制成湿式耐高压结构［11］。在图1(a)中,止推盆形轭铁与导套焊接成一体,形成一个可以承受油液高压的封闭容腔,隔磁环为非导磁的金属焊料经焊接填充而成。耐高压比例电磁铁可以直接驱动阀芯,省掉了密封件,减小了摩擦力,提高了工作可靠性,延长了使用寿命。德国和日本等国的比例电磁铁技术发展早于国内,主要生产公司有Magnet-Schultz、BINDER、Bso,博世、力士乐,威格士,YUKEN等［12］。国内浙江大学的丁凡教授等在耐高压比例电磁铁的结构改进上进行了不断的探索,取得了多项创新科技成果［13－15］。按照比例电磁铁对液压阀阀芯驱动用途的不同,比例电磁铁可以分为推力型和行程型两种形式,前者应用于压力阀的比例控制,其水平推力行程为1mm左右;后者应用于比例换向阀或流量阀的阀芯行程的比例控制,根据实际需求其水平推力行程从1至5mm不等。图1为隔磁环型比例电磁铁,具有推力大、行程大的特点;此外,比例电磁铁还有隔磁套管型,其特点为整个耐压套管由非导磁不锈钢材料构成,其水平的行程-力特性主要由衔铁端面的锥角形成,该比例电磁铁具有衔铁质量小、动态特性较好等优点,但推力和行程大较小。此外,还有可直接采用开关电磁铁实现比例控制,这种结构多见于螺纹插装式比例阀的压力导阀的结构［16］。2.2比例压力阀的发展电液比例压力阀是按照作用于阀芯端面的油液静压力与作用于阀芯上的参考力(弹簧力)相平衡的原理工作的,通过改变参考力的大小可以调整输出压力。为保证压力阀具有水平的流量-压力特性(良好的定压精度)要求参考力不随阀芯的行程变化而改变,比例电磁铁具有水平的推力-行程特性正好满足这一要求,因而,可以直接采用比例电磁铁取代普通压力阀的弹簧或调压手柄构成小通径的比例压力阀,或作为先导型电液比例压力阀的导阀。而且,若采用锥阀或喷嘴-挡板阀结构,阀芯不受摩擦力的影响,更易于实现良好的比例压力控制特性。这也是为什么比例压力阀最先获得成功,最早的比阀方向阀也采用比例压力阀作为导阀的原因［17］。图2、图3分别为不带反馈的直动式电液比例溢流阀和带位置电反馈的直动式比例溢流阀结构简图。因为比例电磁铁受磁饱和的限制所输出推力有限,所以构成比例阀压力阀时需要对阀的结构参数进行必要的调整。同时,阀的压力检测方式与控制本身也引起学者的广泛兴趣［18－20］,但现有的比例压力阀产品相对于普通的压力阀工作原理并无根本的变化。值得注意的是最新出现的比例压力阀采用电反馈,实现压力直接检测和高精度的控制(机械式反馈的压力阀由于稳定性的制约一般采用间接检测),而且采用数字式比例放大器(比例放大器本身为一嵌入式系统),将其集成于比例电磁铁的插座上,并可实现压力数显［21］。为改善电液比例压力阀的性能,国内外研究学者做了大量工作。德国亚琛工业大学(AachenTH)的F.zehner重点研究了采用直接压力电反馈的比例溢流阀。我国浙江大学的郁凯元提出了采用三通结构的主阀来改善比例减压阀在空载时的控制性能［22］。2.3比例控制的应用电液比例换向或节流阀要求实现对阀芯位移(位置)进行连续的比例定位控制,最简单的方式就是通过弹簧将比例电磁铁输出的力线性地转换为阀芯的位移,这也是单级或直动比例流量阀或换向阀的基本工作原理,如图4(a)所示。然而,油液流经阀口由于伯努利效应,会在阀芯上产生一个液动力(也称为伯努利力),该力的大小与阀口的开口面积和压差乘积成正比,因而直动比例流量阀随着阀口压力差的增大,阀的比例特性明显变差,甚至出现随着阀口压降的增加通过比例阀的流量反而减小的不正常现象［23］。因而,按照电磁铁的推力与弹簧力相平衡控制阀芯位置的原理只适用于小流量的比例阀,实际应用最大工作流量一般在15L/min(最大工作压力为21MPa)以下。此外,为了实现轴向静压力的平衡,直动式比例流量阀皆采用滑阀结构,容易受到摩擦力及油液污染的影响出现“卡滞”现象［24］。直动式比例流量阀如果要获得较好的比例特性,阀芯与阀芯孔之间的配合必须达到较高的精度,尤其是以对摩擦力较为敏感的圆柱度。比如,国外某公司ue7886通径比例阀阀芯的圆柱度在1μm以内,如此高的圆柱度已同伺服阀阀芯的精度要求相近。国内普通液压件生产厂家难以达到这样的精度,这也是国产的直动比例流量阀和方向阀的性能不理想的主要原因之一。电反馈型直动比例节流阀或换向阀(见图4(b)),通过采用线性位移传感器(LVDT)对阀芯位置进行测量和闭环控制,可以在很程度上提高阀芯的定位精度和控制精度。同时,人们也在其模型、非线性及系统应用方面进行了大量的理论研究工作［25－27］,最终使电反馈直动比例阀可以像伺服阀那样应用于液压系统的闭环控制(这种阀称为比例伺服阀)。然而,终究由于磁饱和的限制,比例电磁铁输出力有限,其无法从根本上解决高压、大流量下液动力影响的问题,在高压(压力差)和大流量的工作状态下仍然会出现流量饱和现象［28］。消除液动力影响、提高液压阀的过流能力,最根本的办法是采用导控(先导控制)技术。早在1936年美国工程师HarryVickers为了解决因液动力影响直动溢流阀无法实高压、大流量系统的压力控制问题发明了导控溢流阀,其基本思想是采用一通径较小的导阀控制静压力,驱动主阀芯运动,因该液压推力比油液流经阀口时所产生的液动力大得多,足以消除其对主阀芯运动与控制产生的不利影响。导控的思想后来也广泛地应用于其它液压阀的设计,使液压系统的高压、大流量控制得以现实。后来的各种电液伺服控制元件也是沿用了先导控制的设计思想,电液比例阀也不例外,并借用了伺服阀的许多原理［29］。图5为采用比例压力阀作为导阀的比例方向阀,根据主阀芯运动方向与阀开口的不同分别控制主阀左腔或右腔的压力大小与阀左腔的弹簧力平衡,实现主阀芯位移(开口)的比例控制。该阀主阀与导阀之间为开环控制,结构简单,工作可靠。但是,为了消除液动力对主阀芯比例控制特性的不利影响,需要用一大弹簧平衡作用于阀腔的静压力,弹簧占据阀的大部分体积,整个阀的结构显得笨重。该阀常用于工程机械的液压系统［30］,有时也将双作用的减压导阀做成两个插装式三通的减压阀分别控制主阀两腔压力。另外,主阀阀腔的压力除采用比例减压阀控制外,还可以采用溢流阀控制。这种先导控制比例方向阀的工作原理与最初无反馈杆、靠大弹簧平衡主阀两腔压力差的喷嘴-挡板伺服阀的工作原理相近。图6为力反馈型双级比例方向控制阀,主要用于船用舵机液压系统［31］,该阀的工作原理与力反馈喷嘴-挡扳伺服阀的工作原理相近,只是将喷嘴-挡板阀换成了直动式比例阀。图7为电反馈型双级比例方向阀,其工作原理与电反馈大流量二级、三级伺服阀一致。除了以上在产品中常见的导控型比例阀结构外,人们在先导控制比例阀的结构创新上也不断地进行着努力和尝试。瑞典林雪平大学(Linue56epingUniversity)的Ander-son提出了一种流量反馈的二通导控流量阀［32－33］,见图8。该阀在主阀芯表面上开设小槽,形成随主阀芯位移变化的可变液阻,该液阻与二通比例导阀构成阻力半桥控制控主阀敏感腔的压力,该压力在主阀芯轴向力平衡、位置保持不变时与进、出口压力成固定的比例关系。若改变导阀阀口大小则主阀敏感腔的压力随之发生变化,作用于主阀芯上的静压力失去平衡,主阀芯移动,同时小槽的开口也发生变化,敏感腔的压力恢复为平衡值,主阀芯停在一新的位置。该阀结构的巧妙之处在于导控桥路的回油直接引向阀出口(而不是油箱),阀进、出口压力变化通过桥路对主阀芯产生的静压力的改变,被作用于阀芯下端面或锥面上静压力变化抵消,对阀芯的位置并不产生影响。威格士将这种阀做成产品,取名valvistor(意为阀晶体管)。该阀的不足之处在于工作过程中由于油温变化的影响等,很难做到导阀与小槽之间的液阻完全匹配,因而特性不够稳定;此外,导控级的泄漏流量较大,比例控制性能也差强人意。此外,主阀进、出口通过导控油路连通,无法实现锥面无泄漏关断。图8的结构只适用于二通比例阀,为此,太原理工大学的权龙教授对采用该原理的比例阀进行了结构创新,使其适用于双向三通或四通比例换向阀的控制。图9的导阀采用的是直动比例阀,也可以采用结构更为简单的高速开关阀,通过脉宽调制实现导阀的比例流量控制。路甬祥院士早年留学德国发明的二级力反馈比例流量阀［25，36］,见图9。该阀巧妙地利用比例电磁铁的输出水平力特性与反馈弹簧力相平衡,实现主阀芯的位置反馈。但由于在导阀与主阀之间引入了力-位移反馈的弹簧-质量二阶系统,使导控回路频宽降低、稳定性下降,需要引入多个液阻限制增益,