電液伺服閥的研究現(xiàn)狀

電液伺服閥的研究現(xiàn)狀

1電液伺服閥電液傳感器是閉合環(huán)控制系統(tǒng)中最重要的元件，可以將弱電壓轉(zhuǎn)換成偉大的能源壓力信號(hào)（流量和壓力）。用它作轉(zhuǎn)換元件組成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為電液伺服系統(tǒng)。電液伺服系統(tǒng)用電信號(hào)作為控制信號(hào)和反饋信號(hào),靈活、快速、方便;用液壓元件作執(zhí)行機(jī)構(gòu),重量輕、慣量小、響應(yīng)快、精度高。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來說,電液伺服閥是信號(hào)轉(zhuǎn)換和功率放大元件;對(duì)系統(tǒng)中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說,電液伺服閥是控制元件;閥本身也是個(gè)多級(jí)放大的閉環(huán)電液伺服系統(tǒng),提高了伺服閥的控制性能。電液伺服閥代表性的產(chǎn)品有噴嘴擋板式、射流管式、偏轉(zhuǎn)板射流式、動(dòng)圈滑閥式等類型的伺服閥。它具有體積小、功率放大率高、直線性好、死區(qū)小、響應(yīng)速度快、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠,能適應(yīng)模擬量和數(shù)字量調(diào)制等優(yōu)點(diǎn),所以在各種電液伺服系統(tǒng)中得到了極廣泛的應(yīng)用,成為系統(tǒng)中的“心臟”,受到特別的重視。2cat的應(yīng)用群控系統(tǒng)(DNC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)等新工藝裝備的使用,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)的廣泛應(yīng)用,為我們進(jìn)一步簡(jiǎn)化伺服閥結(jié)構(gòu),完善設(shè)計(jì),降低工藝制造成本和管理費(fèi)用,提高產(chǎn)品性能,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,增加產(chǎn)品可靠性和延長(zhǎng)使用壽命創(chuàng)造了極其有利的條件。本文從電液伺服閥的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、測(cè)量和測(cè)試設(shè)備技術(shù)、動(dòng)態(tài)性能研究、故障檢測(cè)技術(shù)和新型閥的研制等方面介紹其研究現(xiàn)狀。2.1伺服閥的研制(1)在電液伺服閥的部分結(jié)構(gòu)上,主要從余度技術(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料的更替等方面進(jìn)行改造,以提高相關(guān)性能。采用三余度技術(shù)的電液伺服作動(dòng)系統(tǒng)將伺服閥的力矩馬達(dá)、噴嘴擋板閥、系統(tǒng)的反饋元件等做成一式三份,若伺服閥線圈有一路斷開,而系統(tǒng)仍能夠正常工作,且有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)性能基本不變,從而提高了伺服作動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力。在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)上,針對(duì)閥出現(xiàn)的故障提出改進(jìn)措施,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以滿足其相關(guān)性能的要求。從材料方面考慮,閥的某些元件采用了強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度等機(jī)械性能優(yōu)良的材料,既可以減少故障,又讓閥具備良好的動(dòng)態(tài)性能。(2)從閥芯和閥套磨配加工工藝的改進(jìn)上,采用不同的磨配原理,如磁力研磨法等原理來提高閥的工作性能。閥芯和閥套組成的滑閥副是伺服閥的核心,閥套窗口棱邊的幾何精度決定了閥的工作性能。在閥芯加工最后磨配端面時(shí),不能直接獲得尖銳的棱邊,而是在棱邊處產(chǎn)生“毛刺”,然后采取措施加以去除。上海交大的陳鵬研制了智能化、全自動(dòng)的伺服閥配磨系統(tǒng),以計(jì)算機(jī)為核心,能自動(dòng)測(cè)量閥的輸出特性,并給出配磨參數(shù),從而使閥芯、閥套的制造簡(jiǎn)便、迅速。1992年由美國(guó)某公司在加州制造了一臺(tái)加工閥芯棱邊的CNC液壓磨床,由另一公司制造了一臺(tái)配合磨床的液壓測(cè)試臺(tái),二者結(jié)合起來就是自動(dòng)化流量磨削系統(tǒng),使產(chǎn)品的完好率從50%提高到85%～90%,生產(chǎn)閥芯的時(shí)間縮減75%～80%,制造廠稱加工精度可達(dá)±0.5μm,性能相當(dāng)優(yōu)良。(3)利用優(yōu)質(zhì)材料進(jìn)行伺服閥裝配。由于伺服閥的銜鐵組件裝配是屬薄壁件與細(xì)長(zhǎng)桿裝配,壓裝力稍大時(shí),易產(chǎn)生使工件變形或裝配尺寸壓不到位的抱死現(xiàn)象。噴嘴體與對(duì)應(yīng)孔壓裝軸向壓裝力大,噴嘴體常出現(xiàn)打壓滲漏油、壓力竄動(dòng)、跳躍現(xiàn)象。FA表面改質(zhì)劑不含金屬成分及固體潤(rùn)滑劑、樹酯等,使用后沒有凝固物及雜質(zhì)產(chǎn)生,與礦物油、液壓油等是相溶的。還有金屬清潔與去污特性。所以可以改善潤(rùn)滑條件,解決壓裝中的難點(diǎn)。2.2高頻隨機(jī)干擾在對(duì)液壓伺服閥的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量時(shí),由于測(cè)量?jī)x器本身的振動(dòng)、熱噪聲和外界的高頻隨機(jī)干擾使被采集的信號(hào)中混有相當(dāng)成分的高頻噪聲,使信號(hào)特征不能真實(shí)反映伺服閥實(shí)際性能。因此研制對(duì)電液伺服閥進(jìn)行高精度、高可靠性而易于操作的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)時(shí)測(cè)試設(shè)備技術(shù)非常必要,為電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或調(diào)整,提供準(zhǔn)確可靠的伺服閥實(shí)際特性依據(jù)。(1)流量為不確定不符合測(cè)周法的測(cè)試,可進(jìn)行寬范圍的流量測(cè)試,將測(cè)周法進(jìn)行第5.從簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng),方便操作方面,對(duì)電液伺服閥的額定流量(大流量)和泄漏流量(小流量)的測(cè)試,將測(cè)頻法(對(duì)大流量的測(cè)試)與測(cè)周法(對(duì)小流量的測(cè)試)結(jié)合起來,進(jìn)行寬范圍的流量測(cè)試。由于光柵傳感器采用脈沖量,分辨率高、抗干擾能力強(qiáng),也提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度,曾良才等人開發(fā)了一套用光柵傳感器測(cè)量流量的裝置,實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)特性的流量測(cè)試。(2)伺服閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法對(duì)電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試一直以來是測(cè)試領(lǐng)域的重要課題之一。由于在動(dòng)態(tài)測(cè)試中要求測(cè)試系統(tǒng)硬件(如傳感器、放大器等)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度快,對(duì)信號(hào)的發(fā)生和采集有同步要求,因而伺服閥的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試是伺服閥特性測(cè)試中的難點(diǎn)。采用自適應(yīng)尋優(yōu)正弦信號(hào)測(cè)試方法測(cè)試電液伺服閥的動(dòng)態(tài)特性;采用小波消噪方法,對(duì)測(cè)量過程中的高頻噪聲進(jìn)行了去噪處理,提高了測(cè)試結(jié)果的精確性;以性能先進(jìn)的VXI總線儀器為主要測(cè)試設(shè)備組成電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng),具有高速、高精度、易組建,易擴(kuò)展,易更新?lián)Q代等特點(diǎn)。易建鋼等人利用“柔性化”設(shè)計(jì)原則和“虛擬儀器”的設(shè)計(jì)思想,用數(shù)字濾波技術(shù)達(dá)到準(zhǔn)確有效的測(cè)試。王向周等人利用偽隨機(jī)信號(hào)的譜分析法在閥的某一個(gè)工作點(diǎn)附近進(jìn)行測(cè)試,不但避免了非線性的影響,而且可以在試驗(yàn)信號(hào)幅值很小的情況下完成在線測(cè)試。(3)vict系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件建立的液壓元件特性測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了電液伺服閥動(dòng)、靜態(tài)特性的自動(dòng)測(cè)試。采用虛擬儀器技術(shù)VICAT系統(tǒng),產(chǎn)生低頻的三角波、正弦波、鋸齒波等用于靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)需要,產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)、正弦掃頻信號(hào)用于動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)需要;兩路模擬量輸出和四路模擬量輸入等接口,對(duì)提高測(cè)試精度、減少測(cè)試時(shí)間、減輕實(shí)驗(yàn)人員負(fù)擔(dān)無疑起到了巨大的作用。2.3高頻響應(yīng)高精度電液伺服閥動(dòng)態(tài)性能的方法在電液伺服閥動(dòng)態(tài)性能理論分析中,通過分析伺服閥結(jié)構(gòu)原理,辨識(shí)其非線性數(shù)學(xué)模型,再進(jìn)行仿真研究,以證明動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性,為電液伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、控制策略的研究、電液伺服閥的工作性能認(rèn)知提供研究的平臺(tái)。采用不同的輸入信號(hào)(正弦、脈沖等)對(duì)電液伺服閥進(jìn)行試驗(yàn),求出其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。還可用一種新的混沌遺傳算法,結(jié)合混沌優(yōu)化方法與改進(jìn)型遺傳算法IGA(ImprovedGeneticAlgorithm)各自的優(yōu)點(diǎn),能夠解決傳統(tǒng)上用偽隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)辯識(shí)時(shí)參數(shù)選擇的不確定性問題,而且準(zhǔn)確、快速。利用多目標(biāo)優(yōu)化理論,建立統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù),然后運(yùn)用優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化,獲得改善閥動(dòng)態(tài)性能的一組結(jié)構(gòu)參數(shù),從而達(dá)到改善電液伺服閥動(dòng)態(tài)性能的目的。對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中閥前的壓力脈動(dòng)問題,文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,理論建模、仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,并提出了有意義的論點(diǎn)。高頻響高精度電液伺服系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用前景,在有關(guān)研究中遇到了閥前壓力脈動(dòng)的困擾,文獻(xiàn)對(duì)液壓管道上支路連接蓄能器進(jìn)行了有益的研究,指出:蓄能器在一定的頻率范圍內(nèi)可以起到較好的濾波作用,而現(xiàn)在需要既能提供高頻流量,又能在0～500Hz左右有較好的濾波作用的低阻高通濾波器件。影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究,主要從減小閥分辨率誤差以及系統(tǒng)的頻帶等因素進(jìn)行,王向周等對(duì)三級(jí)電液伺服閥加入PD校正環(huán)節(jié)展寬了頻帶和減小了先導(dǎo)二級(jí)伺服閥的阻尼系數(shù),有利于三級(jí)閥系統(tǒng)的穩(wěn)定。2.4故障診斷和對(duì)策液壓伺服閥具有時(shí)變、非線性、液固耦合等特點(diǎn),由于設(shè)計(jì)參數(shù)、制造工藝、工作條件和環(huán)境的影響,往往會(huì)引起堵塞、磨損、疲勞、氣蝕、老化、泄漏等多種形式的失效,使液壓控制系統(tǒng)不能繼續(xù)正常工作。一般運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能方法對(duì)電液伺服閥進(jìn)行故障診斷和模式識(shí)別。如利用伺服閥靜動(dòng)態(tài)特性曲線對(duì)閥的常見故障進(jìn)行了專家系統(tǒng)和偽隨機(jī)信號(hào)的譜分析法離線和在線診斷分析;針對(duì)故障特征信號(hào)具有局部時(shí)變特征,將小波變換檢測(cè)信號(hào)奇異點(diǎn)并區(qū)分不同奇異類型的實(shí)用技術(shù)應(yīng)用于電液伺服閥典型故障的診斷;電液伺服閥故障模糊綜合評(píng)判方法等。張若青利用系統(tǒng)原有信號(hào)如位置、壓差等信號(hào),通過動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立伺服閥的動(dòng)態(tài)模型,實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服閥的工作狀態(tài),在故障發(fā)生時(shí),及時(shí)準(zhǔn)確定位伺服閥故障。袁兵等在自適應(yīng)神經(jīng)-模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)的結(jié)構(gòu)辨識(shí)基礎(chǔ)上,利用BP算法與最小二乘法相結(jié)合的混合算法,實(shí)現(xiàn)ANFIS的參數(shù)辨識(shí),建立了適用于電液伺服閥的故障模式識(shí)別的ANFIS,從而有效地解決了電液伺服閥故障的多樣性和不確定性的難題,實(shí)現(xiàn)了電液伺服閥故障的智能診斷。2.5新型伺服閥的研制近年來,隨著微型計(jì)算機(jī)的廣泛使用,新材料的應(yīng)用,新型伺服閥的研制得到了相當(dāng)大的進(jìn)展。以適應(yīng)新的要求,例如高壓、大流量、高頻響、高低溫環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾、抗油液污染、使用方便和成本低廉等等。(1)伺服閥ddv以超磁致伸縮材料(GMM)和電致伸縮材料(PMN)等為轉(zhuǎn)換器的電液伺服閥,具有高頻響,高精度等優(yōu)點(diǎn),使液壓伺服控制系統(tǒng)的頻寬躍上了一個(gè)新的臺(tái)階。田原等設(shè)計(jì)了無閥電液伺服系統(tǒng),以交流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)代替電液伺服閥,使得這一新型電液伺服系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),適用于液壓傳動(dòng)及要求不太高的伺服控制場(chǎng)合。覃愛明介紹了電流變(ER)伺服閥的組成及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),由放大器、橋式電流變?cè)?、滑閥組件3部分組成。通過進(jìn)入左右控制腔的電流變流體(ERF)產(chǎn)生的壓差,驅(qū)使滑閥移動(dòng)開口,從而輸出液壓能給主回路。并用控制理論對(duì)其特性進(jìn)行了分析,得出該伺服閥具有響應(yīng)快、精度高、能耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),能滿足一般小功率、低壓控制系統(tǒng)的要求。國(guó)外在20世紀(jì)90年代初已開發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)式電液伺服閥,作為雙噴嘴擋板式電液伺服閥的補(bǔ)充和發(fā)展。目前,國(guó)外能生產(chǎn)這種直動(dòng)式電液伺服閥的廠家有多家。SV110型伺服閥是德國(guó)某公司近年來研制出來的一種新產(chǎn)品,它采用了帶有高度縫隙調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu),不僅保證了最小的摩擦損失,同時(shí)也減少了運(yùn)動(dòng)件的慣量,提高了其自振頻率,因此該閥具有較高的重復(fù)精度和較大的功率范圍。DDV伺服閥是某公司最新研制的直接驅(qū)動(dòng)式伺服閥,用集成電路實(shí)現(xiàn)閥芯位置的閉環(huán)控制,閥芯的驅(qū)動(dòng)裝置是永磁直線馬達(dá);對(duì)中彈簧使閥芯保持在中位,直線力馬達(dá)克服對(duì)中力使閥芯在兩個(gè)方向都可偏離中位,平衡在一個(gè)新位置,解決了比例電磁線圈只能在一個(gè)方向產(chǎn)生力的不足之處。國(guó)內(nèi)姚建庚等于2000年成功地開發(fā)出了一種抗污染能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)指標(biāo)高的直動(dòng)式電液伺服閥。利用直線力馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)滑閥工作,從而提高了電液伺服閥的抗污染能力,是傳統(tǒng)的噴嘴擋板式電液伺服閥的補(bǔ)充和發(fā)展。(2)采用雙運(yùn)動(dòng)自由度的數(shù)字視頻伺服閥,如通過高速閥和不滯環(huán)閥組成中的加電液數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方法一般有兩種,其一為采用傳統(tǒng)的模擬式控制元件,通過D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)其數(shù)字控制。其二為直接數(shù)字控制,它是采用步進(jìn)電機(jī)作為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件,將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為與步數(shù)成比例的閥輸出信號(hào),這類閥具有重復(fù)精度高、無滯環(huán)等優(yōu)點(diǎn)。裴翔等給出了一種采用閥芯雙運(yùn)動(dòng)自由度設(shè)計(jì)的2D數(shù)字伺服閥,并采用特殊的跟蹤控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的輸出角位移連續(xù)控制,克服傳統(tǒng)的步進(jìn)式數(shù)字伺服閥(離散式比例閥)所固有的響應(yīng)速度與量化誤差的矛盾。駱艷潔等利用毛細(xì)阻尼管的調(diào)壓原理和滑閥閥芯的雙自由度運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)制造了一種新型差壓式液壓控制閥。該閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污染能力強(qiáng)、成本低等特點(diǎn),并能實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。袁坤用電液比例方向節(jié)流閥數(shù)字控制放大器取代傳統(tǒng)的專用的模擬比例控制放大器,不僅在結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性,而且提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用的靈活性,為比例閥推廣使用,奠定了良好的基礎(chǔ)。3計(jì)算機(jī)自抗病機(jī)綜上所述,為適應(yīng)液壓伺服系統(tǒng)向高性能、高精度和自動(dòng)化方向發(fā)展需要,伺服閥主要發(fā)展方向是:(1)標(biāo)準(zhǔn)化目前,國(guó)內(nèi)在研究、生產(chǎn)和使用電液伺服閥方面雖然已初具規(guī)模,型號(hào)品種也基本相當(dāng)于國(guó)外大部分產(chǎn)品,但由于各自為政、力量分散,標(biāo)準(zhǔn)不很規(guī)范,十分不利于伺服閥的進(jìn)一步發(fā)展。因此,著重解決標(biāo)準(zhǔn)化問題已成當(dāng)務(wù)之急。(2)虛擬化利用CAD技術(shù)全面支持伺服閥從概念設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、性能設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)到零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)的全過程,并把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助分析(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助檢驗(yàn)(CAI)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和現(xiàn)代管理系統(tǒng)集成在一起,建立計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)(CIMS)使設(shè)計(jì)與制造技術(shù)有一個(gè)突破性的發(fā)展。(3)智能化發(fā)展內(nèi)藏式傳感器和帶有計(jì)算機(jī)、自我管理機(jī)能(故障診斷、故障排除)的智能化伺服閥,進(jìn)一步開發(fā)故障診斷專家系統(tǒng)通用工具軟件,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和診斷。還應(yīng)開發(fā)自補(bǔ)償系統(tǒng),包括自調(diào)整、自潤(rùn)滑、自校正,這是液壓行業(yè)努力的方向。另外,借助現(xiàn)場(chǎng)總線(fieldbuses),實(shí)現(xiàn)高水平的信息系統(tǒng),從而簡(jiǎn)化伺服閥的使用、調(diào)節(jié)和維護(hù)。(4)數(shù)字化電子技術(shù)與液壓技術(shù)的結(jié)合的一個(gè)方向。通過把電子控制裝置安裝于伺服閥內(nèi)或改變閥的結(jié)構(gòu)等方法,形成了種類眾多的數(shù)字產(chǎn)品。閥的性能由軟件控制,可通過改變程序,方便地改變?cè)O(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。(5)微型化隨著