上海杂志液压数字阀的发展及其工程应用1002发表 (1).doc

On Development of Hydraulic Digital Valve and its ApplicationYangzeng Xu Dapin Li Guoxiang Chen许仰曾 上海豪高机电科技有限公司董事长、教授、博导 上海理工大学、上海交通大学、燕山大学、兰州理工大学兼职教授液压数字阀的发展及其工程应用许仰曾 李达平 陈国贤上海豪高机电科技有限公司 上海理工大学一、 液压数字阀的发展背景与简况液压数字阀是在计算机技术与电控技术的发展与促进下产生的。计算机技术本质上说是数字技术。为了达到使液压阀与计算机或微处理器之间能够直接控制或通讯而无需数-模或模-数转换这样的目的，从而促使了液压数字阀应运而生。液压数字阀分为二类，增量式数字阀与高速开关数字阀。液压数字阀的最初开发产品是增量式数字阀，即步进电机式的数字阀。它的基本构件就是将步进电机作为驱动元件与液压控制阀作为控制元件相结合而生。这一类产品在上世纪八十年代末至九十年代占据了液压数字阀领域的主流。国外的日本东京计器公司开发了全系列的液压数字阀（如图1所示），其中包括数字压力阀、数字流量阀以及数字比例方向阀等，我国当时的广研所也是积极开展研究的知名单位之一。但是增量式数字阀在上世纪末基本未进入液压元件的产品系列之中，即未被市场所接受从而淡出了人们的视线。国外有的公司的样本尽管元件种类尽管达到了齐全的程度，但也未能真正进入市场而占一席之地。究其原因分析主要是下列问题：-由于是采用步进电机并与液压阀机械联系，从而惯量大固有频率低，因此频响性能受到很大限制。因此其应用领域与范围受到限制。-在结构原理上说步进机与液压阀机械连接，成本方面肯定难占优势。-当时的步进电机技术在高频时有失步的问题，即可控制性能不佳，又进一步使其响应的提高受到负面影响。由于上述原因使增量式数字阀的应用受到局限，但随着步进电机及控制技术的发展，这方面的应用与发展一直在各个领域有不少的成功实例。这是因为增量式数字阀的总体技术方面是成熟的，目前用于项目上容易成功，技术难点比高速开关阀要少。因此也有一定市场应用的积累。而高速开关数字阀的应用到目前为止应用领域已经很多，从数量看已超过增量式数字阀。但其性能的提高至今仍处在研发的发展过程。所以增量式数字阀要成为数字阀的主流产品的前景要看应用领域的扩大。但从方向与趋势看高速开关数字阀更为期待。在增量式数字阀研究发展的同时，液压高速开关阀也在研制与发展。在上世纪八十年代的研究中比较集中研究液压高速开关数字阀的液压特性、电控等方面。随着研究的深入，对高速开关阀的磁特性给予了越来越大的关注。研究高速开关阀的磁性材料与特性成了关键。在上世纪八十年代，浙江大学、北京理工大学等院校就进行了很多的研究。但从液压领域来看，始终未进入工业界的领域，更不要说形成完整的产品系列了。到了上世纪末高速开关阀的开发与应用突飞猛进。其中最强劲的推动者是柴油机的电喷共轨系统的要求。1-凸轮；2-顶杆；3-针阀；4-阀套；5-平衡活塞；6-阻尼空；7-主阀芯图1. 增量数字式先导溢流阀(日本东京计器公司)1-步进电机；2-滚珠丝杠；3-节流阀阀芯；4-阀套；5-连杆；6-零位移传感器图2. 增量数字式水液压流量阀（上海豪高机电科技有限公司2008年产品） 众所周知，为了达到汽车的污染排放标准，欧洲已要求汽车达到其制定到欧的排放标准。而我国现在只能推行实施欧标准。即使如此，我国目前实际普遍使用只达到欧标准的汽车发动机特别是柴油发动机。在此情况下，在排放欧标准的强制要求下，凸轮轴驱动的柴油喷射系统就完全要让位于共轨式柴油喷射系统。灵活的电子控制系统对正时和喷射压力的控制，在发动机各种情况下都能获得低排放与高效率。而控制这一过程所采用的就是高速开关阀。由于这一控制过程只有大约3-6ms，因此对高速开关阀的响应提出了0.10.2ms的要求。此时燃油压力可达160180Mpa，所以油量可以满足要求。按液压技术可供压力而言，这类阀可达到18 l/min。液压高速开关阀用于共轨燃油喷射系统仍在发展之中，1997年博世公司将其用于乘用车上，2005年奔驰公司推出了第二代共轨系统，双龙汽车融合第三代共轨喷射及可变截面涡轮增压等技术，可达到欧标准。这也将高速开关阀推向了成熟的高度，并正向压电式（piezo）共轨系统发展。高速开关阀也正向磁致伸缩材料方向努力。目前其外形与价格是应用在工程应用方面需改进的。图二展示了由上海豪高机电科技有限公司开发的增量数字式水液压流量阀,此阀的特点是不仅用于水介质还具有位置反馈,可提高阀的频响。二高速开关数字阀元件的设计与开发数字阀元件是由液压阀体、电磁执行机构与驱动放大器三大部分组成。见图13所示之阀。由于对于高速开关数字阀的性能要求已在ms级以下，因此这三大部分对于成功地实现最终的性能都有影响，其中以电磁执行机构最为关键。1、 液压阀体液压阀替目前主要采用二位二通阀，也有二位三通阀，但后者的频响有所损失或者在流量方面会受到限制。因此，二位二通阀已成为高速开关阀的主要阀种与关注点。在液压高速开关阀的阀设计与常规阀有类似与不同之处。由于要追求高频响，因此阀芯的位移比常规阀要小。因此其流量受到较大限制，目前一般在10l/min以下。2、 电磁执行机构 电磁执行机构要求较高的磁性材料。为了使铁芯的磁通密度B值上升的更快些，以利于更快达到使铁芯移动所需的吸力值，这就必须选用具有低矫顽力Hc高磁导率值，高电阻率值的软磁合金材料，以利于更快速磁化。1T12DY软磁合金棒状材料就是比较理想的一种。因为该材料具有超快高速开关数字阀所要求的全部特殊物理性能，即同时具有高磁导率、高电阻率、高磁通密度和低剩磁、低矫顽力、低密度等特殊的物理性能。但是由于燃油共轨系统中对高速开关数字阀的使用量大，因此阀的成本敏感度越来越高。因此各种磁性材料的选择也是研究的方向之一。3、 驱动放大器驱动放大器对高速开关阀的性能影响也不可忽视。一般而言,都采用PWM(脉寛调制控制)。目前各厂商都有自己的控制策略与特色。使用的电压也超过了液压技术中传统的概念。目前有的公司采用的电压最高可达90-110VDC。 三. 高速开关阀的工程应用实例1. 汽车燃油电喷领域中高速开关阀的工程应用图3是上海豪高机电科技有限公司研发的应用于汽车天然气和高压共轨的电喷系列高速开关阀，其技术参数见表1。图3 电喷系列高速开关阀的应用表1 电喷数字阀技术参数电喷系列产品名称技术参数轿车用液化天然气电喷数字阀空载响应时间为0.030.15ms；压力1MPa响应时间为0.050.20ms。柴油机燃油喷嘴试验台用数字阀空载响应0.20.3ms。压力2830MPa，流量23L/min，响应时间为1.51.8ms，20mm铁心吸力达到220N;8-10L/min；电控柴油喷射系统是现代柴油机燃油系统的发展方向。通过对喷油量和喷油规律的最佳控制来满足日益严格的排放法规和进一步提高经济性和动力性。但无论是时间控制系统,还是压力- 时间控制的高压共轨系统,都是通过对高速强力电磁阀的精确控制实现的。图4是某电控柴油喷射系统的总体构型图。如图4所示，在系统中，高速强力电磁阀作为一个独立装置放置在油泵和喷油器之间。图4 电控柴油喷射系统在电控柴油喷射系统工作过程中,高速强力电磁阀承担着所有喷射控制功能。它的闭合时刻决定喷射定时,闭合时间长短决定喷油量。但必须快速关闭以保证喷射定时准确和迅速形成高压,快速开启以保证喷射的快速切断和稳定卸载。电磁阀的动态响应特性直接影响着燃油喷射系统的主要性能指标。在高压共轨电控喷射系统中,电磁阀的工作条件恶劣、复杂,必须有足够的可靠性,快速、准确、无反冲的实现其开启和关闭。有的采用Terfenol - D 棒作为电磁阀的执行器,克服电磁铁吸合过程中由于电磁铁运动惯性和反作用力的影响而难以提高响应速度和作用力的缺点。2. 在液压元件领域中高速开关阀的工程应用 最具代表性的液压元件是比例二通插装阀和多路阀。2.1 采用高速开关阀为先导阀的液压比例节流二通插装阀 Eaton公司(原Vickers公司)的二通插装阀采用了以高速开关阀为先导阀的数字先导控制。此电液比例节流阀为CVU-*-EFP1系列，图4是CVU系列的功能符号和液压原理图。该产品是用2位3通数字阀为先导阀控制二通插装节流锥阀。（a）CVU-*-EFP1；（b）功能符号；（c）原理图图4 Eaton (Vickers) 电液比例节流阀以高速开关阀作为逻辑锥阀的先导阀, 通过让高速开关阀工作在占空比为线性控制区(避开高速开关阀的死区和饱和区 ) 可以实现对锥阀的较大流量的线性比例控制, 而且系统响应速度较快, 能满足实际工作要求。这种高速开关阀控逻辑锥阀节流系统可以用在液压系统的旁路节流和进出油路节流回路控制中, 不仅可以实现对液压系统的较大流量的比例控制, 而且如果在液压系统中施加合适的智能控制算法, 则可以极大地提高其控制精度和调节范围。图5是以高速开关阀为先导的逻辑锥阀的系统原理图。图5 以高速开关阀控制逻辑锥阀的系统原理图图5是以一个HSV系列高速开关阀为其先导阀的逻辑锥阀系统原理图。图中1 是内带有阻尼孔的逻辑锥阀, 2 是高速开关电磁阀。当高速开关阀断电时, 高速开关阀处于关闭的位置, 锥阀控制腔压力p1 与锥阀进油口压力ps 相等, 通过锥阀阻尼孔和高速开关阀的油液为零, 控制腔油液封闭不流动, 此时锥阀关闭。当高速开关阀通电时, 高速开关阀处于打开状态, 控制腔油液通过高速开关阀流回油箱, 由于控制腔压力p1 下降, 锥阀芯开启。由于高速开关阀是采用PWM控制, 通过调节调制率D的大小, 可以改变通过高速开关阀的流量, 进而得到不同的控制腔压力, 从而实现对通过锥阀流量的调节。2.2 采用高速开关阀为先导阀的液压比例多路阀 Sauer-Danfoss公司推出了以数字阀为先导级的PVG比例多路阀。其流量可从20-200l/min.图6是PVG比例阀PVEH电气驱动，图中1、2、3、4为高速开关数字阀。（a）PVG比例阀；（b）电器驱动原理图；（c）PVEH图6 Sauer-Danfoss PVG比例阀及其PVEH电气驱动高速开关阀通过调节占空比Di，就可以连续地控制通过开关阀的平均流量，实现对流量的控制，其功效可以等效为一个可变的节流口。我们知道。四边滑阀及其等效的液压桥路如图7所示，可以把滑阀的4个可变节流工作边作为4个可变的液阻表示，是1个四臂可变的全桥。当把图7中的等效节流元件全部(或部分)采用工作于PWM状态的开关阀，通过分立或联合操作开关阀，可以更灵活地组成阻尼控制回路。图7 四边滑阀及其等效桥路图8 PVEH的液压原理图8是PVEH的液压原理图。如图所示，PVE利用高速开关数字阀构成的液压全桥，通过PWM脉宽调制原理，控制主阀芯位置。PVE配有集成的反馈传感器，反馈传感器通过检测阀芯的运动产生反馈信号。根据反馈信号和输入信号对比所得的偏差，执行机构通过由高速开关数字阀组成的电磁阀桥来控制主阀芯的运动方向、速度和位置。通过PVE搭建起的闭环控制，大大提高了多路阀的控制精度，以数字阀为先导级，提高了多路阀的响应速度。3. 在液压系统领域中高速开关阀的工程应用 3.1 采用高速开关阀用于摸拟位置控制系统的数字纸卷纠偏控制装置图9 数字纸卷纠偏控制装置图9展示了上海豪高机电科技有限公司生产的采用高速开关阀用于摸拟控制系统的数字纸卷纠偏控制装置的数字式光液纠偏装置部分。本装置数字控制纠偏的响应时间可小于3ms，纠偏时其频响满足工程提出的要求；而数字阀及其控制放大器的成本仅为比例阀的1/2，又使得纠偏装置的成本大为降低；且采用数字阀作为主要控制阀，对液压系统油液污染要求比伺服阀来得低，故而，纠偏装置的可靠性大为提高。因此，数字技术控制的新型纠偏装置具有精度高、耐污染、工作稳定可靠、便于计算机控制，且造价低、调试简单，维护容易等优点。目前，这一技术也试用在钢铁行业的类似装置中。3.2 采用高速开关阀用于高速往复运动控制系统的液压冲击器以液压凿岩机、液压碎石机和液压冲击锤等为典型代表的液压冲击机械，抽象出其主要内核液压冲击器,不难发现它们的工作原理基本相同,主要由配流阀、冲击活塞和蓄能器等部件组成,是通过配流阀配流,以液压力驱动活塞往复运动作功,对外输出冲击能来进行工作的。配流系统是液压冲击机械的重要组成部分,配流阀与冲击活塞相互影响、相互控制形成活塞的高速往复运动。目前这种系统尽管能很好满足工况，但是其运动一旦设定是不能任意调节的。 液压冲击器的特点是冲击活塞在前后腔交变高压油的驱动下往复高速运动, 图10所示的电液控制强制配流，是一种新颖的配流方式,它是采用高速开关阀用于高速往复运动控制系统的液压冲击器。其充分利用了电信号频率准确、稳定、调节方便的特点,可实现液压冲击机械输出冲击能及冲击频率随控制信号稳定、快速、准确和无级调节。其优点是可以根据工作的情况能加以调节，达到性能更好又节能的效果。图10 高速开关阀控制的液压冲击器工作原理图其工作原理是计算机或信号发生器产生交变的矩形波作为控制信号,通过放大器转换成控制电流输出给高速开关阀1、2 ,两个高速开关阀的控制口分别与经特殊设计的液控快速换向阀的阀芯两端控制腔相连,通过分别控制高速开关阀1、2 ,使液控快速换向阀完成快速换向配流动作,这样,冲击活塞就在计算机(信号发生器) 产生的控制信号作用下作往复高速运动,产生冲击与振动。由上述配流系统工作原理可知,冲击活塞的工作频率就是控制信号的频率,冲击能也与控制信号的频率有关。因此,采用电液强制配流方式的液压冲击机械具有结构简单、工作可靠、易于实现电液控制的特点。3.3 采用高速开关阀用于摸拟压力控制系统的数字瓦斯压力控制装置 图11是上海豪高机电科技有限公司研制的数字瓦斯压力控制装置工作原理图。图11 数字瓦斯压力控制装置工作原理图 本系统采用了闭环进行压力控制。数字式压力传感器可以显示压力，同时能输出相应反馈信号（420mv或010v）。数字控制器具有接受压力传感器信号与给定值比较输出控制数字阀的电流，它还具有PWM及PNM控制功能，可调节周期占空比或控制电流的幅值；对t及P具有调节功能。当压力到达要求后可以停止输出控制电流，由图12该系统的测试结果可见其控制精度可以在系统要求范围之内。但是在起始段与终结段有较大误差,且差值方向相反,说明系统要完全消除此误差尚有进一步采取措施。 图12 数字瓦斯压力控制装置监控曲线 图13 数字瓦斯压力控制装置3.4 液压高速开关数字阀元件与系统教学实验台 为了推广液压数字技术的发展,特别是高速开关发阀的应用,上海豪高机电科技有限公司开发了液压高速开关数字阀元件与系统教学实验台。此实验台可以对上述的数字模拟闭环控制系统与高速往复开环系统进行实验。并允许改变与设定参数。三 高速开关数字阀元件的发展前景液压数字阀是未来与比例阀伺服阀相辅相