电液伺服阀的研究现状

电液伺服阀的研究现状

1电液伺服阀电液传感器是闭合环控制系统中最重要的元件，可以将弱电压转换成伟大的能源压力信号（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。电液伺服阀代表性的产品有喷嘴挡板式、射流管式、偏转板射流式、动圈滑阀式等类型的伺服阀。它具有体积小、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。2cat的应用群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)等新工艺装备的使用,计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助测试(CAT)的广泛应用,为我们进一步简化伺服阀结构,完善设计,降低工艺制造成本和管理费用,提高产品性能,稳定产品质量,增加产品可靠性和延长使用寿命创造了极其有利的条件。本文从电液伺服阀的结构改进、测量和测试设备技术、动态性能研究、故障检测技术和新型阀的研制等方面介绍其研究现状。2.1伺服阀的研制(1)在电液伺服阀的部分结构上,主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造,以提高相关性能。采用三余度技术的电液伺服作动系统将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份,若伺服阀线圈有一路断开,而系统仍能够正常工作,且有系统动态品质性能基本不变,从而提高了伺服作动系统的可靠性和容错能力。在结构的改进上,针对阀出现的故障提出改进措施,进行结构优化,以满足其相关性能的要求。从材料方面考虑,阀的某些元件采用了强度、塑性、韧性、硬度等机械性能优良的材料,既可以减少故障,又让阀具备良好的动态性能。(2)从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上,采用不同的磨配原理,如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心,阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能。在阀芯加工最后磨配端面时,不能直接获得尖锐的棱边,而是在棱边处产生“毛刺”,然后采取措施加以去除。上海交大的陈鹏研制了智能化、全自动的伺服阀配磨系统,以计算机为核心,能自动测量阀的输出特性,并给出配磨参数,从而使阀芯、阀套的制造简便、迅速。1992年由美国某公司在加州制造了一台加工阀芯棱边的CNC液压磨床,由另一公司制造了一台配合磨床的液压测试台,二者结合起来就是自动化流量磨削系统,使产品的完好率从50%提高到85%～90%,生产阀芯的时间缩减75%～80%,制造厂称加工精度可达±0.5μm,性能相当优良。(3)利用优质材料进行伺服阀装配。由于伺服阀的衔铁组件装配是属薄壁件与细长杆装配,压装力稍大时,易产生使工件变形或装配尺寸压不到位的抱死现象。喷嘴体与对应孔压装轴向压装力大,喷嘴体常出现打压渗漏油、压力窜动、跳跃现象。FA表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂、树酯等,使用后没有凝固物及杂质产生,与矿物油、液压油等是相溶的。还有金属清洁与去污特性。所以可以改善润滑条件,解决压装中的难点。2.2高频随机干扰在对液压伺服阀的静、动态特性进行试验测量时,由于测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频随机干扰使被采集的信号中混有相当成分的高频噪声,使信号特征不能真实反映伺服阀实际性能。因此研制对电液伺服阀进行高精度、高可靠性而易于操作的计算机辅助实时测试设备技术非常必要,为电液伺服控制系统的设计或调整,提供准确可靠的伺服阀实际特性依据。(1)流量为不确定不符合测周法的测试,可进行宽范围的流量测试,将测周法进行第5.从简化了测试系统,方便操作方面,对电液伺服阀的额定流量(大流量)和泄漏流量(小流量)的测试,将测频法(对大流量的测试)与测周法(对小流量的测试)结合起来,进行宽范围的流量测试。由于光栅传感器采用脉冲量,分辨率高、抗干扰能力强,也提高了系统的测试精度,曾良才等人开发了一套用光栅传感器测量流量的装置,实现了静态特性的流量测试。(2)伺服阀动态特性测试方法对电液伺服阀的动态特性测试一直以来是测试领域的重要课题之一。由于在动态测试中要求测试系统硬件(如传感器、放大器等)对信号的响应速度快,对信号的发生和采集有同步要求,因而伺服阀的动态性能测试是伺服阀特性测试中的难点。采用自适应寻优正弦信号测试方法测试电液伺服阀的动态特性;采用小波消噪方法,对测量过程中的高频噪声进行了去噪处理,提高了测试结果的精确性;以性能先进的VXI总线仪器为主要测试设备组成电液伺服阀动态特性测试系统,具有高速、高精度、易组建,易扩展,易更新换代等特点。易建钢等人利用“柔性化”设计原则和“虚拟仪器”的设计思想,用数字滤波技术达到准确有效的测试。王向周等人利用伪随机信号的谱分析法在阀的某一个工作点附近进行测试,不但避免了非线性的影响,而且可以在试验信号幅值很小的情况下完成在线测试。(3)vict系统利用计算机和相关软件建立的液压元件特性测试系统,实现了电液伺服阀动、静态特性的自动测试。采用虚拟仪器技术VICAT系统,产生低频的三角波、正弦波、锯齿波等用于静态特性实验需要,产生随机信号、正弦扫频信号用于动态特性实验需要;两路模拟量输出和四路模拟量输入等接口,对提高测试精度、减少测试时间、减轻实验人员负担无疑起到了巨大的作用。2.3高频响应高精度电液伺服阀动态性能的方法在电液伺服阀动态性能理论分析中,通过分析伺服阀结构原理,辨识其非线性数学模型,再进行仿真研究,以证明动态数学模型的正确性,为电液伺服系统的设计、控制策略的研究、电液伺服阀的工作性能认知提供研究的平台。采用不同的输入信号(正弦、脉冲等)对电液伺服阀进行试验,求出其动态数学模型。还可用一种新的混沌遗传算法,结合混沌优化方法与改进型遗传算法IGA(ImprovedGeneticAlgorithm)各自的优点,能够解决传统上用伪随机信号进行系统辩识时参数选择的不确定性问题,而且准确、快速。利用多目标优化理论,建立统一的目标函数,然后运用优化算法对模型进行优化,获得改善阀动态性能的一组结构参数,从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。对实际系统中阀前的压力脉动问题,文献进行了系统的研究,理论建模、仿真计算与试验结果基本一致,并提出了有意义的论点。高频响高精度电液伺服系统有广泛的应用前景,在有关研究中遇到了阀前压力脉动的困扰,文献对液压管道上支路连接蓄能器进行了有益的研究,指出:蓄能器在一定的频率范围内可以起到较好的滤波作用,而现在需要既能提供高频流量,又能在0～500Hz左右有较好的滤波作用的低阻高通滤波器件。影响系统稳定性的研究,主要从减小阀分辨率误差以及系统的频带等因素进行,王向周等对三级电液伺服阀加入PD校正环节展宽了频带和减小了先导二级伺服阀的阻尼系数,有利于三级阀系统的稳定。2.4故障诊断和对策液压伺服阀具有时变、非线性、液固耦合等特点,由于设计参数、制造工艺、工作条件和环境的影响,往往会引起堵塞、磨损、疲劳、气蚀、老化、泄漏等多种形式的失效,使液压控制系统不能继续正常工作。一般运用BP神经网络、专家系统等智能方法对电液伺服阀进行故障诊断和模式识别。如利用伺服阀静动态特性曲线对阀的常见故障进行了专家系统和伪随机信号的谱分析法离线和在线诊断分析;针对故障特征信号具有局部时变特征,将小波变换检测信号奇异点并区分不同奇异类型的实用技术应用于电液伺服阀典型故障的诊断;电液伺服阀故障模糊综合评判方法等。张若青利用系统原有信号如位置、压差等信号,通过动态神经网络建立伺服阀的动态模型,实时监控伺服阀的工作状态,在故障发生时,及时准确定位伺服阀故障。袁兵等在自适应神经-模糊推理系统(ANFIS)的结构辨识基础上,利用BP算法与最小二乘法相结合的混合算法,实现ANFIS的参数辨识,建立了适用于电液伺服阀的故障模式识别的ANFIS,从而有效地解决了电液伺服阀故障的多样性和不确定性的难题,实现了电液伺服阀故障的智能诊断。2.5新型伺服阀的研制近年来,随着微型计算机的广泛使用,新材料的应用,新型伺服阀的研制得到了相当大的进展。以适应新的要求,例如高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰、抗油液污染、使用方便和成本低廉等等。(1)伺服阀ddv以超磁致伸缩材料(GMM)和电致伸缩材料(PMN)等为转换器的电液伺服阀,具有高频响,高精度等优点,使液压伺服控制系统的频宽跃上了一个新的台阶。田原等设计了无阀电液伺服系统,以交流电机伺服控制系统代替电液伺服阀,使得这一新型电液伺服系统具有体积小、可靠性高、节能等优点,适用于液压传动及要求不太高的伺服控制场合。覃爱明介绍了电流变(ER)伺服阀的组成及其结构特点,由放大器、桥式电流变元件盒、滑阀组件3部分组成。通过进入左右控制腔的电流变流体(ERF)产生的压差,驱使滑阀移动开口,从而输出液压能给主回路。并用控制理论对其特性进行了分析,得出该伺服阀具有响应快、精度高、能耗低、稳定性好等优点,能满足一般小功率、低压控制系统的要求。国外在20世纪90年代初已开发了直接驱动式电液伺服阀,作为双喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。目前,国外能生产这种直动式电液伺服阀的厂家有多家。SV110型伺服阀是德国某公司近年来研制出来的一种新产品,它采用了带有高度缝隙调节的旋转盘结构,不仅保证了最小的摩擦损失,同时也减少了运动件的惯量,提高了其自振频率,因此该阀具有较高的重复精度和较大的功率范围。DDV伺服阀是某公司最新研制的直接驱动式伺服阀,用集成电路实现阀芯位置的闭环控制,阀芯的驱动装置是永磁直线马达;对中弹簧使阀芯保持在中位,直线力马达克服对中力使阀芯在两个方向都可偏离中位,平衡在一个新位置,解决了比例电磁线圈只能在一个方向产生力的不足之处。国内姚建庚等于2000年成功地开发出了一种抗污染能力强、动态指标高的直动式电液伺服阀。利用直线力马达直接驱动滑阀工作,从而提高了电液伺服阀的抗污染能力,是传统的喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。(2)采用双运动自由度的数字视频伺服阀,如通过高速阀和不滞环阀组成中的加电液数字控制的实现方法一般有两种,其一为采用传统的模拟式控制元件,通过D/A转换实现其数字控制。其二为直接数字控制,它是采用步进电机作为电-机械转换元件,将输入信号转换为与步数成比例的阀输出信号,这类阀具有重复精度高、无滞环等优点。裴翔等给出了一种采用阀芯双运动自由度设计的2D数字伺服阀,并采用特殊的跟踪控制算法实现对步进电机的输出角位移连续控制,克服传统的步进式数字伺服阀(离散式比例阀)所固有的响应速度与量化误差的矛盾。骆艳洁等利用毛细阻尼管的调压原理和滑阀阀芯的双自由度运动设计制造了一种新型差压式液压控制阀。该阀具有结构简单、抗污染能力强、成本低等特点,并能实现数字控制。袁坤用电液比例方向节流阀数字控制放大器取代传统的专用的模拟比例控制放大器,不仅在结构上简化了系统,提高了系统的可靠性,而且提高了系统的经济性和应用的灵活性,为比例阀推广使用,奠定了良好的基础。3计算机自抗病机综上所述,为适应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)标准化目前,国内在研究、生产和使用电液伺服阀方面虽然已初具规模,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,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已成当务之急。(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(CAE)、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(fieldbuses),实现高水平的信息系统,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、实现数字化补偿等多种功能。(5)微型化随着