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)

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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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型阀芯和阀腔结构的比例压力阀[29]。文献[30]采用P I D控制和动态矩阵控制(DMC)方法,对比例减压阀进行了缓冲控制研究。权龙在其博士论文中提出新的电闭环比例控制方法,并在比例减压阀的出口与先导泄油口之间设置一旁通流量调节器,可解决现有比例减压阀在负载很小时不能稳定工作的难题[31]。

2.2　比例流量阀研究工作综述

目前最基本的比例流量阀为仅控制阀口开度的比例节流阀。早在20世纪60年代末就出现了比例电磁铁直接驱动的单级比例节流阀,这种阀由于受电-机械转换器输出力及行程的限制和稳态液动力的影响,只适用于小流量场合[32]。为改善这种阀的性能,大多数直动式比例节流阀都采用了阀芯位移电检测的闭环控制原理[33]。直动式比例阀的最大优点是其动特性几乎与工作压差无关,所以它可在很低的工作压差下工作。当负载需求的流量较大时就必须采用先导式结构。

20世纪80年代后期,国外首先出现了位移电反馈型三通比例节流阀[34]。这种阀能对两个方向的油液进行控制,只用一个阀就可以控制差动液压缸的双方向动作。同期,国内浙江大学也研制出了采用双向比例电磁铁控制的双可变节流口作先导阀和主阀位移力反馈的三通型比例节流阀[35]。该阀与耐高压双向动态流量传感器配套构成的三通型比例流量阀还获得了发明专利。此外,美国穆格(Moog)公司利用压力电反馈和位移电反馈技术研制出比例方向、压力和流量阀[25],能同时对负载腔压力和节流口开度进行精确控制。

另外,由于流经节流口的流量除取决于节流口的通流截面积外,还与节流口前后的压差有关。最初的流量控制阀就是采用压差定值阀对系统的压力变化进行补偿,使得节流口前后的压差保持恒定,从而实现输入信号对流量的单调控制。早期的比例流量阀也采用了该控制原理,这种阀的不足之处在于受作用在减压阀阀芯上液动力的影响,负载压差变化时流量特性不佳。而且由于减压阀必须采用常开式结构,在启动和负载压力突变时会产生很大的流量超调[24]。采用先导式定差减压阀可改善这种阀的流量特性,这种阀采用溢流阀作为补偿阀,并与节流阀并联联接,可构成三通型调速阀,其特点是工作时系统压力始终随负载压力的变化而变化,效率较高[8]。日本油研(Yuken)公司利用节流阀的电反馈提高了这种比例阀的控制精度[1]。作为这两种调速阀的补充,文献[36]提出了一种优先型的比例流量阀,该阀的定差减压阀采用了三通型结构,使得二通调速阀控制回路也具有节流特性,同时还可带动两个负载,而三通流控阀则只能控制单个执行机构。

从20世纪80年代后期开始,流量闭环控制的比例流量阀的出现推动了流量控制技术的发展,该类阀采用阀口特殊造型的二通插装阀实现流量-压差或流量-位移的线性转换[37]。控制精度完全取决于流量传感器的转换精度而与负载的变化无关,该种比例流量阀由于将电-机械转换器也包含在闭环之内,进一步提高了比例阀的流量控制精度。德国亚琛工业大学(Aachen TH)研制出主阀芯位移和流量传感器位移双电反馈的比例流量阀,用主阀芯位移电反馈来改善阀的稳定性[38]。

虽然早在19世纪中叶就出现了应用压差补偿原理的流量控制阀,其控制原理也一直沿用至今[3]。但是与压力阀不同,因流量控制阀本身由两个相互独立工作的压差补偿阀和一个节流阀组成,几乎不存在不稳定因素、噪声和啸叫等缺陷,所以对它的研究并不象对压力阀那样深入和广泛,而其研究工作的重点也是放在如何减少动态过程中的流量超调和稳态流量偏差以及结构参数的优化上。浙江大学的路甬祥于20世纪80年代中期提出了“流量-位移-力反馈”等新原理。极大地改善了比例流量阀的性能,并获得多项发明专利。瑞典林克平大学(linkop ing University)的安德森(B.R.Anderss on)在其博士论文中提出一种新的比例节流阀,该阀利用在主阀芯上开槽的方法实现位移-流量反馈,并同时产生主阀芯的速度反馈,所以稳定性较好。在此基础上,他还提出“流量放大”控制原理,仅通过控制先导阀的流量就可对主阀的流量进行控制,简化了比例流量阀的结构[24、39]。我国学者吴平东在其博士论文中,就文献[39]所提流量控制阀的动静态性能进行了全面深入的研究[34、35]。他还提出在文献[40]所提节流阀的基础上采用“面积补偿方法”来消除因负载压力变化造成的流量改变,使阀的输出流量在一定范围内不受负载压力的影响,是一种较简单的先导式比例流量阀。此外,国外谢菲尔(G.Scheffel)对先导型流控阀的性能进行了理论分析和试验研究[32]。浙江大学路甬祥等对流量反馈型比例流量阀的性能进行了较深入的研

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究,王庆丰对比例流量阀的压力补偿器进行了研究,通过采用流场变化补偿方法提高了比例流量阀的控制精度[42]。

针对常规比例流量阀建模的局限性,美国东北大学(Northeastern University)埃伊尔梅兹(B. Eryil m az)在其博士论文中,为比例流量阀模型建立了非线性等式,获得关于阀芯几何属性和物理模型参数的统一流量-阀口关系式,得到了能用于分析正中、正遮盖和负遮盖比例流量阀的流量方程。并采用非量纲分析法,验证了统一模型的误差仅依赖于阻尼系数[2]。加拿大萨斯喀彻温大学(University of Saskatche wan)舍瑙(G.Schoe2 nau)采用一般最小二乘法(the ordinary least squares)和极大似然估计法(the maxi m u m likeli2 hood)对比例流量阀弹簧刚度和弹簧的预压缩量进行了参数估计,最大误差不超过5%[43]。国内北方车辆研究所的汪国胜也对比例流量阀的弹簧进行了研究,主要研究了与弹簧设计紧密相关的稳态液动力估计和弹簧预压力调节等问题[44]。北京理工大学的冯靖利用两个高速开关阀以及控制电路部分组成先导式的比例流量阀并对此进行了建模和仿真[45]。文献[31]提出一种新的流量控制原理,应用该原理的比例流量阀不仅具有较高的控制精度和抗干扰能力,而且从根本上消除了流量阀在启动和负载压力阶跃扰动过程中存在的大流量超调。同时在流量控制原理基础上,提出压力流量复合控制策略并发明了比例溢流调速阀和比例减压调速阀。北京理工大学李强对比例节流阀的稳态特性进行了仿真,得到比例节流阀在不同开口时的流量特性、刚度特性和工作稳定性曲线[46]。文献[47]针对现有大通径电液比例调速阀控制精度不高的不足,根据压差-电气-面积补偿原理,采用先导式阀体结构形式,设计了能对大流量进行精确控制的电液比例调速阀。文献[48]利用先导式带位置电反馈型节流阀和压差补偿器流量控制方式设计出高压大流量电液比例调速阀,最大流量达到220L/m in,阶跃响应时间为115m s,频宽接近6Hz。

为了使比例流量阀用于高频、高精度的闭环系统,国内外公司和研究机构都对此进行了研究。国外发展的直动式电液比例阀采用高频响比例电磁铁或动圈式力马达驱动阀芯,位移由位置传感器反馈,由内置电子线路进行阀芯的闭环控制。加拿大微液(M icr oHydraulics)公司生产的高频电液比例流量阀CET OP5可提供伺服阀特性,但是只相当于比例阀的价格,频宽达到40Hz[49]。日本油研(Yuken)公司推出的闭环控制电液比例节流阀(ELF BG系列),它采用小型比例电磁铁配合线性位移传感器,直接检测流量阀芯的位移并反馈到控制系统,根据系统要求调整校正输出量,从而实现高响应、高精度和高性能的闭环控制。这种阀的滞环<0.5%、重复误差<0.5%,响应时间<15m s。德国派克(Parker)公司以音圈驱动(Voice Coil D rive)技术为基础开发的DFp lus比例阀,采用闭环控制,线性度相当好,响应也很高,可达400Hz。德国力士乐(Rexr oth)公司开发的紧凑型I RC-R高频响比例阀集合了外置闭环控制器几乎所有的功能,它配置了Pr ofibus-DP或者CANopen总线。通过上位机通过现场总线与液压控制器实时通讯,并带有诊断界面和模拟量通道[50]。从而使比例阀由系统的执行器一跃成为系统的智能控制器和执行器于一身,实现比例阀新的飞跃。

郝鸿雁提出电液比例阀的CAN-Bus硬件接口电路、软件接口系统及工作模式,为高性能电液比例阀的现场总线接口设计提供了依据[51]。哈尔滨工业大学李勇联合一汽富奥公司于韶辉针对比例阀阀控缸下响应慢和精度低的现状,提出电液比例阀双闭环控制技术,仿真和试验结果表明双闭环控制在响应速度及控制精度方面明显优于单闭环控制系统,系统稳定时间缩短了21%[52]。北京理工大学的黄官升提出高响应电磁流量阀,该阀直接将开关电信号通过机械装置(阀体)转换为液压模拟信号,不需要进行D/A转换,可直接与计算机接口,非常适用于微机或单片机实时控制,试验测得其额定流量为4L/m in,响应时间为24m s[53]。同时黄官升还确定了高响应电磁阀常见的故障模式为液压密封失效、电磁线圈短或断路、弹簧疲劳失效、连接支架松动等,为高响应比例阀的改进设计和性能指标的提高途径提供了有力的依据[54]。

3　电液比例阀研究展望

传统电液比例阀是以比例电磁铁作为驱动装置的电-液信号转换元件,虽然其结构坚固,抗污染能力较强,价格较为低廉。但存在着运动部件体积惯量大(两端对置),支撑部位多,摩擦力大、

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线性度差等固有弊病。同时,由于比例电磁铁固有特性的限制,导致电液比例阀无论在响应时间还是在响应速度上都不是很快,响应速度稍高的但流量又太小,滞环大、死区大,而且给系统的控制算法带来困难[55]。以力矩马达为驱动装置的电液伺服阀虽然控制品质较好、频响高、滞环小、死区亦小、且线性度好,但伺服阀对油液的污染十分敏感,系统的过滤成本高,且其加工难度大,价格昂贵,限制了伺服阀的应用。

可以看出,目前,无论是电液伺服阀还是电液比例阀,都无法同时满足液压控制系统高速、高精度、大流量、低成本、抗污染等要求。

为此,必须开发一种全新的液压阀技术,能够综合这两类阀的长处,克服它们的短处,这就是超高速电液比例阀。

超高速电液比例阀能实现液压控制系统液流方向和流量的控制功能,满足系统高速、高精度、大流量、低成本、抗污染的综合要求。超高速电液比例阀是采用动圈式电-机械转换器作为驱动装置的电-液信号转换元件,控制性能很好,某些性能指标达到甚至超过了电液伺服阀,尤其是在频率响应方面更优越,可达300Hz以上。另一方面,与传统伺服阀不同,其中不存在喷嘴一类的细小节流口,故抗污染能力强,无需高成本的过滤措施,工作可靠性高。

提高电液比例阀的性能指标如频响、线性度和负载能力等,有助于提高电液比例控制系统的整体特性,这也是电液比例阀技术的发展趋势[56]。

提高控制精度和控制速度一直以来是各行各业的敏感话题,在许多机械行业中,特别是需要高精控制场合中,拥有较大的市场前景。随着我国建设规模的不断扩大和经济的不断发展,需求量会不增加。目前,超高速电液比例阀技术在国外一些著名注塑机公司得到了应用。而国内一般均采低速比例阀控制,效率低,精度差。因此超高速电液比例阀的研究,成为各厂家在日益激烈的市场竞争中是否能够保持优势的关键。研制性能优良、结构简单、工作可靠、成本低廉、能同时为生产厂家和用户欢迎的超高速电液比例阀,对推动整个液压技术领域的向前发展具有重要的理论意义和实用价值。

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(下转第19页)

式中　ψ———扬程系数

n ———转速,r/m in H ———扬程,

m

图4　部分流泵过流部件

a .8叶片叶轮;

b .2叶片诱导轮;

c .同心圆环形流道泵

　体;d .16叶片叶轮(8长,8短);e .12叶片叶轮(6长,6短)

3.2　喉道面积A t 的确定

v t =(0.7～0.75)u 2(6)q v =A t v t =A t (0.6～0.75)u

(7)

由式(7)可以确定喉道面积:

A t =

q v

(0.6～0.75)u

(8)

3.3　其它水力参数的确定

部分流泵叶轮的叶片出口宽度b 2,如果按照

普通离心泵的出口宽度计算,其性能参数往往达不到要求。b 2取较大值,有利于提高叶轮内强制旋流的强度,有利于提高泵的性能[5]

。取b 2=d -δ1。其中d 为喉道半径,δ1取0～5mm ,比转速大时取较大值,比转速小时取较小值。泵体流道宽度b 3=d +δ2。叶片出口宽度δ2=2～5mm ,取值大小和δ1相同。

高速泵的涡壳一般均是环形的,环形涡壳的特点是每个截面的截面积相等,速度按第八截面流速v 3确定。

3.4　三维造型及CF D 流场分析

目前高速泵的水力研究取得了一定进展,设计完高速泵的基本尺寸参数后,用Pr o /E 进行三维造型。对模型用ANSYS /CF D 流场模拟,使水力性能在理论上达到最优,弥补了高速泵的水力设计盲目性。4　结论

(1)高速泵有体积小,结构紧凑,单级扬程高

等优点,具有重要的开发价值。

(2)对高速泵的汽蚀、增速、叶轮强度、轴封等技术问题进行了深入探讨。

(3)采用三维造型,CF D 流场模拟可以预先分析泵的性能,弥补了高速泵的水力设计盲目性。

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作者简介:许朝阳(19682),女,工学学士,高工,副总工程师,主要从事工程管理设计与咨询工作,通讯地址:230009安徽合肥市屯溪路193号安徽省化工设计院。

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作者简介:张弓(19792),男,博士生,主要从事液压控制系统及元件的建模与设计的研究,通讯地址:610031四川成都市西南交通大学新型驱动技术研究中心。