电液比例阀.doc11.doc

电液比例阀的应用及发展趋势农机101班 黄桂华 1001140133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。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。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。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一些研究进展。（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KL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。1971年和 1972年日本油研( Yuken)公司相续申请了比例压力阀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。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( Harr y V ickers)发明的差动式压力控制原理。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 5H z),稳态磁环大( 4 % 7 % ) , 体积也大, 多用在开环系统。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。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。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。国内浙江大学也研制成功采用这一原理和 PID调节技术的三通型比例压力阀,获得了同样的效果。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。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。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 ( A achenTH )的泽纳( F . Zehner) 在文献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。（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。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。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。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。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 CETOP5可提供伺服阀特性, 但是只相当于比例阀的价格, 频宽达到 40H z。德国力士乐 ( R exroth)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 Pro fi bus- 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。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。电液比例阀的应用非常广泛，不仅在车辆上应用，还应用于旋转平台回转定位液压系统中，还可以用它来改造液压油缸试验台。1、电液比例阀在车辆换档离合器缓冲控制中的应用：在车辆液力机械传动装置中, 通常采用多片式离合器(或制动器)作为车辆换档传动元件。为了保证换档过程中良好的换档品质, 需要控制离合器结合过程中油缸的充油压力, 使换档离合器缓慢平稳地结合,所产生的摩擦力矩平稳地增长,从而减少换档过程中的动载荷, 实现换档过程平稳过渡。目前,实际应用的自动变速箱缓冲控制方法主要有液压缓冲阀控制、 电液比例压力控制和高速开关阀控制等,后两者可构成闭环控制系统, 但大多数采用的仍是液压缓冲阀控制, 很难实现良好的换档品质。大量研究表明, 只有采用闭环控制后,才能使换档控制达到最优。EPRV16型电液比例减压/卸荷阀作为电液比例控制元件，实现换档离合器结合过程中的电液比例闭环缓冲控制。该阀工作原理为: 压力为ps的高压油从进油口经截流口减压, 降为pl后经出油口输出。pl作用在主阀芯下端, 对主阀芯作用一个向上的液压力。同时又经过固定阻尼孔进入主阀芯上腔, 上腔内压力为ph ,对主阀芯有一个向下的液压力。另外主阀芯还受到一个向下的弹簧力。比例减压阀对压力的控制是通过改变先导阀的开启压力pt以调节输出压力。当输入某一电压值时, 电磁铁便产生相应的电磁力, 该力通过推杆作用在先导阀溢流口上。这时,打开先导阀阀芯的液压力值,就是与主阀芯调定压力pl相对应的先导阀开启压力pt。采用PID控制和动态矩阵控制(DMC)方法,改善了该控制系统的动态性能，特别是DMC更趋近于理想曲线, 波动小,跟随性好,并且提高了被控对象的响应速度,提高了对被控对象的控制品质。2、电液比例阀在旋转平台回转定位液压系统中的应用：（1）、旋转平台的功能和动作：旋转平台的功能是接收由提升平台送下来的收有线卷的芯杆 (线卷呈盘状落到芯杆上 ), 并旋转180 , 将芯杆送到倾翻装置上。同时旋转平台另一端无线卷的空芯杆也旋转 180 , 送到提升平台上, 由提升平台顶起来再去接收线卷。轧制不同规格的产品, 旋转平台完成一个 0 180的动作周期的时间也要求能作调整, 由轧制程序控制其节奏。根据工艺要求, 旋转平台最快要在 10s完成一个0 180或180 0的旋转动作。（2）、电液比例阀控系统：基于电液比例阀的液压控制系统的工作原理为了便于实现控制的自动化, 整个收集区的大多数设备都是采用液压传动和控制。考虑到投资及现场维修的具体情况, 将整个收集区设备的液压动力源集中到一个液压站内, 包括旋转平台的液压动力源。高线收集区域设备液压动力源的压力在冶金设备的液压系统中属中等压力等级, 根据统计资料, 一般压力范围 7 21 M Pa。大多数情况下选 13 14 MP a , 选取系统压力 p0= 13 MPa。因只作旋转平台的局部液压系统设计, 考虑到管道泄漏及其它因素, 取旋转平台液压马达局部系统的工作压力为 ps = 11 MP a。根据计算出的相关参数, 查阅 REXROTH公司的比例阀产品资料 ( RC29061)。选择 4WREE6V-32-2X /G24K31/A1V型三位四通高频响比例方向阀作为系统的液压控制元件, 其主要特点如下: ( 1) 直动式高频响方向阀, 可用来控制液流的方向和大小; ( 2) 适用于闭环系统位置及速度的控制和调节; ( 3) 阀的控制通过高频响比例电磁铁,线圈可单独拆卸; ( 4) 带有电控位移传感器; ( 5) 响应灵敏, 滞后小; ( 6) 内置电子放大板; ( 7) 控制阀芯由弹簧对中; ( 8) 板式结构连接。（3）、使用效果：( 1) 旋转平台作顺时针0 180和逆时针1800旋转。速度的控制通过控制系统和控制比例方向阀的开口量的大小实现。实践证明, 电液比例阀在旋转平台回转定位液压系统中能达到良好的效果, 线卷的收集率得到了提高。由于电液比例阀具有对油质要求与一般工业阀相同, 且具有价格低、阀内压力损失较低、效率高、性能可满足大部分工业阀要求等许多优点, 是一种很适合与旋转平台配套使用的新型电液转换元件,其应用前景广阔。3、电液比例阀在改造液压油缸试验台上的应用：液压油缸作为整个液压系统的执行元件，其性能的优劣不但直接决定了液压系统的可靠性，而且影响着设备的正常运行和维护，因此需要通过测试台检测其性能是否达到技术要求。试验中需要记录的数据较多，包括被测缸的供油压力PS2、测试点的压力 P1和 P2、加载力 F、被试缸的速度 v 及行程 L等，而这些数据都是通过试验台面板上的机械仪表和标尺获得，因此检测精度低，且整个试验过程由手工按预定操作步骤完成，实验过程颇显繁琐和重复，故对其进行技术改造已是势在必行。目前存在的问题有：（1）不能实现小负载加载试验；（2）试验中油缸在起动和换向时压力冲击很大；（3）行程开关损坏，油缸的位移靠标尺显示，人工观察，效率低，精度差； （4）加载力传感器损坏，还缺乏加载力显示； （5）控制台部分线路损坏，致使不能停泵、不能起动冷却系统、不能进行污染显示和油温显示。由于电液比例阀具有压力或流量连续比例可调，与计算机的接口简单，成本低廉，抗污染性能好，性价比高的优点。因此，液压油缸试验台的改造拟采用电液比例阀控制系统的方案，即采用电液比例溢流阀和流量阀代替原来的手动调压阀和节流阀。采用电液比例阀后，实现了小负载加载试验，改变了试验中油缸在起动和换向时压力冲击大的缺点，同时电液比例技术的应用提高了测试的自动化程度和效率，该测试回路也可用于新油缸测试台的设计。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、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。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