液压高速开关数字阀及其在各工业领域应用.pdf

液 压 气 动 与 密 d ／ 2 0 1 2年 第 1期 液压高速开关数字阀及其在各工业领域应用 许仰 曾 l 、 1 、 中国液压气动密封行业协会 ， 北京 陈惟宁 z 1 0 0 8 2 3 ； 2 、 上海 理 工大 学 ， 上海2 0 0 0 9 3 摘 要 本文介绍 了液压高速开关阀的基本概念与在各工业领域 的应用情况 ， 同时也指出此技术在液压 工业 中的发 展应用情 况与前景 。此技术 目前是液压 比例技术与伺服技术的挑战者 ， 在液压 泵的变量 、 比例伺服系统包括 比例 多路阀的 控制 、 液压数字油缸的应用 中有着期望。 关键词 液压数字技术 ； 液压高速 开关 阀； 水轮机调速器 ； 纠偏 ； 喷油器 中图分 类号 T Hl 3 7 ． 5 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 1 0 0 7 2 0 6 Hy d r a u l i c Hi g h s pe e d o n o ff Va l ve a n d I t s Ap p l i c a t i on on I n d u s t r i e s xu Y a n g - z e n g C HE N We i n i n g 2 1 ． C h i n a Hy d r a u l i c P n e u m a t i c S e a l I n d u s t A s s o c i a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 8 2 3 ，C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3， Ch i n a Ab s t r a c t Hi g h s p e e d o n o ff v a l v e h a s b e e n i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r w i t h i t s c o n c e p t a n d a p p l i c a t i o n s i n v a ri o u s i n d u s t rie s ． I t s t r e n d a n d d e v e l o p me n t i n t h e f u t u r e i s o p t i mi z e d ． T h i s t e c h n o l o g y d o e s c h a l l e n g e t h e p r o p o r t i o n a l a n d s e r o t e c h n o l o g y i n h y d r a u l i c a r e a ． b e c a u s e t h e t e c h n o l o g y c a n b e u s e d i n d i s p l a c e me n t c o n t r o l o f h y d r a u l i c p u mp ， p r o p o r t i o n a l a n d s e r v o s y s t e m， v a l v e b a n k s h i f t i n g ， d i g i t a l c y l i nd e r a n d S O o n． Ke y Wo r d h y d r a u l i c d i g i t a l t e c h n o l o g y ；h y d r a u l i c h i g h s p e e d s w i t c h i n g v a l v e ； t u r b i n e g o v e r n o r ；c o r r e c t i o n ；i n j e c t o r O 引言 随着液压技术的发展 ， 特别我国近十年来的液压工 业与市场 的不断增长 ．逐步进入世界领先者的行列之 后 ， 液压数字阀的应用再次引起了关注。作为大而不强 的中国液压工业 ． 能否利用这尚未充分开发的技术也进 入液压技术的领先者 ， 引起了行业界的注重。我国工业 和信息化部于 2 0 1 0年 l 0月印发关于 机械基础零部件 产业振兴实施方案的通知中将液压数字泵列入其中， 则足以说 明液压数字技术已纳入我国液压工业 的技术 发展 的视野 在装备制造业技术进步和技术改造投资方 向 2 0 0 9 2 0 1 1 的文件中也提出了如下要求 数字液压缸 工作压力≥2 5 MP a ， 缸径4 0 m m； 数字液压泵工作压力≥3 1 ． 5 MP a ， 排量 ≥l O m L ／ r 数字液压阀 工作压力≥2 5 MP a ． 通径≥6 m m。 目前用于液压 中的数字 高速开关 阀技术无论是液 压元件中还是系统中尽管有了一些成功 的实例 ，并不 收稿 日期 2 0 1 1 一l l 一 2 8 作者简 介 许 仰曾 1 9 4 0 一 ， 男 ， 中国机械工程 学会流体 传动与控制 分会 高级顾问 ； 中国液 压气动密封行业协 会专家委员会专家委 员； 上海 交大 、 上海理工大学 、 上海 工程 技术大学 、 燕 山大学兼职教授博导 ； 上海 豪高机 电科技有限公 司 、 钜宜燃油 喷射科技有 限公 司董 事长 。 7 2 是很多。在此我们 阐明它们在各个工业应用领域 的应 用状态 。 以期这一技术会在我 国更成功地开发与应用 。 1 液压数 字技术 的范 围 1 液压数字技术的首要条件是控制 信号不是模 拟信号而是数字信号或不连续信号。 众所周知， 在液压传统的控制系统中都是用模拟信 号 ．即是连续 变化的物理量如连续变化 的电流值 0 2 0 mA或电压值 0 一 l O v等。 而在液压数字技术中采用的 是离散的即不连续 的信号 ， 如采用断续变化的电压或光 脉冲来作为信号 ． 见图 1 所示 。模拟信号一般通过 P C M 脉码 调制 P u l s e C o d e Mo d u l a t i o n 方 法量化 为数字 信号， 即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制 值 ， 图 l 将这信号的对等性表示 出来 。目前很多液压厂 商已经将 比例伺服 的输人信号数字化 ， 目的是可 以减少 信号的干扰失真与性能的提高 ， 因此采用此技术 的液压 比例伺服元件并不归类于液压数字元件 ， 但有时有些厂 商的样本 中也 自称这类阀为数字 比例伺服元件。 1 液压数字元件是输入信号是离散 的， 而且 液压 的电执行先导元件或液压先导元件的动作也具有不连 续性。 具备这条件 的液压数字元件有二类 增 量式数字 流量阀。 是通过 P WM的信号使换 向阀打开与截止的时 间比例不同 即占空 比不 同 来调节流量 。 液压高速开关 阀也可以用来控制压力 ，但需要通 过流量控制产生的压力调节来进行。 因此液压高速开关阀是流量阀，具有换向阀的机 能， 也可以用于压力控制。 表 1 展示 了目前数字阀的主要性能指标。 表 1 液压数字阀的性能指标 元件与高速开关数字元件 见 图 2 。 图 l 数字 P WM 离散信号与模 拟信号的等价性 广增量式数字阀 步进电动机 流量阀 r 一 压力阀 I L 方 向 阀 电 液 数 字 阀 J 厂 盘 式 电 磁 铁 锥 阀 l 卜 I 螺 管 电 磁 铁 滑 阀 L 快 差 型十力 矩 马 达 球 阀 数 字 阀 卜 压 电 晶 体 式 阀 L磁 致伸缩材 料 图 2 液压数字 阀的类型与组成 增量式数字元件是由步进电动机与常规液压阀或 专制液压阀组成 ，步进电动机则是 由离散 的信号输入 而输 出也是步进的 ， 不是连续性的。不过 自上世纪九十 年代东京计器 已经开发出系列化 的液压 数字压力 阀 、 数字流量阀后 ， 并 未成为市场上 的新宠 ， 而 自生 自灭 ， 消失在市场 的视野中嘲 。 高速开关阀的实际历史 已经不短 。但 引起关注的 首推人们 由于空气污染对 汽车行业提 出的排放要求 ， 极大地促进 了它的发展 与重视。由控制器 E C U 发出 P WM信 号对燃油喷射的控制成为对汽油机或柴油机 的有效技术后 。这种信号离散而且动作是往复运动的 液压元件成为新宠。如何将其在液压 的元件或系统中 采用成为发展方向之一 。 3 液压数字系统 的范围可 以更广 ， 那些采用任何 液压开关元件 如换向阀等 而使同一元件具有一定逻 辑功能的系统 。 在广泛的意义上也是数字系统 。例如由 数个换向阀组成的回路通过排列组合对 同一执行元件 如液压缸 、 液 压泵 的变量执行机构等 产 生的不 同运 动效果或性能变化 ， 也可以看成是一种数字式系统。液 压缸本身就是一种开关元件 ， 通过其本身结构 如多级 缸等 或外在离散或逻辑控制 阀控制都可产生这类功 能与 效果 。 当今． 高速开关阀是液压数字元件技术的发展主流。 2 液压高速开关阀的基本功能与性能 液压高速开关阀在结构上是换 向阀 ，在功能上是 由表 1 可见 ，目前 的数字 阀的流量 在 l O L ／ m i n以 下 ， 根据系统 的实际情况 ， 对此流量的要求不宜追求过 高指标 。这是因为在任何主液压系统中， 数字阀的流量 从动态看是脉冲的 。如果流量太大易引起系统的脉动 与不稳定 ． 因此数字阀比较适宜作为先导阀使用。 3 高速开关数字 阀在水轮机调速器 中的 应 用 迄今为止我国在工业 自动化最成功应用高速开关 阀的实例是用于水轮机调速器上 ，中国水利水电科学 研究 院 自动化所在这方面做了开创性 的研制 。目前不 仅在若干电站 已投入实际运营而且此类调速器还逐渐 形成 了系列产品 ，如天津市科音 自控设备有限公司生 产了以百台计 的产品。其中以数字阀为先导 ， 再采用二 通插装 阀组件作为流量放大元件 ，以全新的思路创造 性地开辟了调速器发展的新路子 ，并为调速器的发展 带来 了新的活力。高速开关 阀调速器 自 1 9 9 9年首次研 制成功实验室样机 ， 首台调速器于 2 0 0 1年 5月在黑龙 江黑河西沟水电站 1 8 MW 机组投入运行 ，同年在北京 密云投运 1台 1 5 MW 机组 的调速器。2 0 0 2年 5月在湖 南柘溪 水 电站 l台 7 5 MW 的机组 上投运 。2 0 0 1年～ 2 0 0 2年， 运用本产品部分组件取代电液转换环节 ， 解决 了福建水 口水 电站 7台 2 2 0 MW 机组长期存在 的接力 器难 以稳定的问题。这类水轮机调速器的传统控制原 理图与高速开关 阀调速器原理图如图 3所示 。水轮机 高速开关 阀的液压系统原理图如图 4所示。 从 图 4的水轮机高速开关 阀控制原理图 中可见 ， 当电网中的负荷上升时 ， 水轮机的转速呈下降趋势 ， 这 时接力器需要微 开增加供水 。那么在系统 中就会产生 73 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1期 位置给定信号与位置反馈信号的误差 ，从而给予数字 阀一定 占空比的 P WM信号 ， 作用在数字 阀 7上 ， 该数 字阀 7产生的 a流量信号则作用在二通插装微开进油 阀 4与二通插装微开排油阀 3上 ，一方面通过阀 4的 打开 ， 在接力器 B口进油， 作用与接力器向开 的方向移 动 ； 而另一方面通过阀 3的开启 ， 使接力器 A 口排油 ， 通过阀 3允许接力器移动 ，直至通过反馈电位器与位 置给定信号 的误差消除 ，也就是说达到系统所要求的 电网频率为止。在此系统中所用的高速开关 阀是螺管 式电磁球 阀， 它 的连接 目前都已采用螺纹插装阀形式 ， 如图 5所示 。通过实际兰 口电站系统 的甩负荷试验证 明此系统符合要求 ，也因此这类调速器在国内已形成 新 产 品 图 3 传统水轮机调速器与高速开关阀式调速器的控制原理图 1 一 急停排油阀 2 一 微关排 油阀 3 一 微开排油阀 4 一 微开进油 阀 5 一 微 关进油阀6 一 急停进 油阀7 一 微开数字阀 a 8 - 微关数字阀 b 9 一 急 停数 字阀 C 1 0 一 滤油器 l 1 一 反馈电位器 l 2 一 接力器 图 4水轮机调速高速开关阀液压控制原理图 图 5 调速器用高速快关阀 从图 6的试验 中我们可以体会到之所以水轮机用 高速开关阀控制调速器能够获得成功的一个因素是这 类 系统 的控制过程较慢 ，因此对高速快关 阀的频响要 74 求不是很高。从图 6可见 ， 它的调节过程在几十秒 ， 这 对高速快关阀的要求不算高。 幽 6水轮 机用 高 速快 关 阀控 制 调 逐 器控 制 效 果 根据实际的使用效果 ，高速开关阀控制 的调速器 比之传统的水轮机调速器有下列的优点 1 传统水轮机调速 阀采用液压伺 服阀与主配压 阀， 对液压 油的污染很敏感 ， 故障率较 高 ； 而高速开关 阀是处 于不停的往复运动 ， 污染 物不容易停在 阀口， 因 此故障率有所下降。 2 传统水轮机调速器主配压 阀结构复杂 ， 加工难 度大 ， 元件分散管路 庞杂 ， 维修不利 ； 而高速快关 阀控 制 系统简单 ， 集成度高 ， 标 准元件易获得 ， 驱动放大器 功耗小也 简单 ， 可获得理想 的静动态特性 ， 这都提高了 高速开关阀控制的水轮机调速器的可靠性。 3 传统水轮机调速器 的主配压 阀在零位有泄漏 存 在 ， 因此在 稳压点有 漂移现象 ； 而高速快 关 阀的调 速器 由于数 字阀与二通插装 阀都是锥 阀形式 ， 在一定 时间 内的可达到零 泄漏 的要求 ，不仅 提高 了稳态 精 度 ． 而且 可以在稳 态时停止数 字阀 的操 作 ， 既延 长 了 数字阀的寿命 又减少 了功率 消耗 ， 进一步 提高了装置 的可 靠性 。 4 高速开关阀在纠偏中的应用 纸张 、 塑膜 、 钢带等带材在分条 、 切边 、 卷装等工序 过程中的质量控制不可缺少纠偏装置。目前 ， 一般纠偏 装置执行机构的控制形式主要有气液伺服 、 光电伺服 、 光液伺服等。这几种控制形式采用模拟技术 ， 优点是精 度高 ， 但缺点也十分明显 ， 不仅造价 昂贵 ， 且调试 困难 ， 最大 的不足是 由于元件的高精度对液压 系统 的污染 控制有很高的要求 ， 系统容易污染阻塞 ， 造成工作不稳 定 ，以致纠偏装置故障率高而降低 了带材 的质量。因 此 ， 如何提高纠偏装置的可靠性 以满足市场的需求 ， 成 为技术人员探索的课题。 利用接受或产生数字信号 的计算机控制不仅提高 了控制的精度和稳定性 ， 而且 明显地降低 了成本 ， 使计 算机控制的应用大为扩展 。新 型液压高速开关数字阀 的产生使液压阀用于光 电液纠偏装置直接来用全数字 阀能达到 良好的效果， 使带钢实现平稳传送。从本应用 可以体会到高速开关 阀具有响应速度快 、 结构 紧凑 、 体 积小 、 价格低并可直接与计算机接 口等优点 ， 是一种很 适合与轧钢机械等配套使用的新型电液转换元件。 图 l O展示 了上海豪 高机 电科技有 限公 司生产 的 数字式光液纠偏齐边装置 ，其 中采用高速开关阀用于 纸卷纠偏控制。齐边装置是利用精确光电检知， 其检 测精度 0 ． 0 5 m m， 控制使卷物随时能修正保持在整齐正 确的位置上。本光电液压纠偏装置数字控制纠偏以 P C 微处理器对高速电磁阀进行 P WM脉宽信号控制 ， 阀的 响应时间可小于 3 ms ， 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 l ／ 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 。为轻工 、 纺织 、 印染 、 印刷等行业提供 了数控型 的纠偏系统。 控制成为可能。新型液压数字阀用于钢带纠偏 、 纸张光 液纠偏装置 ， 使这类装置更新换代 ， 其性价 比高 ， 为市 场所求。根据 目前 的产品市场分析 ， 国内市场 的加工流 水线需求量 为 6 ～ 1 0万 台套 ，印刷包装 行业约 8万台 套 ， 切边分条机 、 涂布机组 、 塑料薄膜机等不少于十几 万台套 ． 国际市场将更大。 钢带纠偏装置在钢铁行业 中是不可缺少的设备 ， 图 7是采 用高速 开关阀 的钢带 纠偏控制 系统 的原 理 图。 它的液压原理 图如 8所示。 在此 系统中采用的高速 快关 阀如图 9所示。 图 7 高速开关 阀纠偏控制 系统原理图 主液压缸 图 8 纠偏 系统液压原理 图 衔铁线 圈 极靴 阀体 回油阀 拥 l 回油口 图 9用 于 纠 倔 系统 的 高 速 开 关 阀 图 8所示 的纠偏 系统是由两个高速开关阀和一个 电磁换 向阀集成在一阀块上组成 。选取双作用液压缸 作为执行元件，整个控制系统 由可编程控制器来控制。 在缸一端模拟带钢边缘设 置一个 C C D像感传感器 ， 液 压缸另一端设置一位移传感器 。整个纠偏系统 由 C C D 检测器 的主信号和来 自位移编码器的 目标信号经放大 处理后输入可编程控制器 P L C ， 经 P L C内部程序计算 出 两信号差值 e ， 当l e l a时 ， 组成数字 阀中的大流量阀动作 ， 实现大 流量快速纠偏 ，其 中数值 a根据带钢运行速度及系统 频宽进行计算。在带钢纠偏液压 系统中使用高速开关 图 l O液 压 卷 纸 纠 偏 系 统 5 高速开关阀在汽车燃油喷射中的应用 世界对大气污染造成的气候影响已经达到极其高 度的关注 ， 2 0 0 9年各国首脑达成的 哥本哈根协议 提 出气体减排和控制温室气体总排放量。图 l l 是欧洲对 柴油机的污染排放的规定值 ， 由图可见 ， 在近二 十年来 排放的规定值已下降了几倍以至十几倍之多。其中燃 烧汽油或柴油的车辆 的排放是大气主要污染源之一。 要控制车辆的污染排放 目前主要依靠发动机喷油的控 制 ，目前 的主流技术是靠 由高速快关阀控制喷油的过 程。其系统原理 图可见图 l 2是高压共轨燃油喷射系统 原理图 ， 由图可见 由高速快关 阀来控制喷油器的开关 ， 从而控 制喷油的过程。主要的喷油器供应商有 电装公 司 、 博世 B O S C H 公 司 、 德尔福 D E L P H I 公 司以及西 门子 S E I ME N S 公 司。它们生产 的高速开关 阀的结构 形式以及参数都各有特色 见表 2 。 我们选择 了具有特 色的不同类型的高速开关 阀，从 中我们可 以看 到螺管 式与压电晶体式的不 同，也可以看到不同结构带来的 成本差别 ， 更可以看到它们的性能特点。 7 5 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 1 ． 2 01 2 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 P V E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。 从 图 1 6的 P V E H结构组成我们可 以看 到总体结 构十分紧凑 ， 四个高速开关阀体积也极小 ， 因此与多路 阀的外形也 十分匹配 。在市场销售中由于对于阀的控 制采用不 同策略 ， 因此 可以提供不 同性能水平的产品。 此产品 S A U E R公司在 1 9 7 8年就开始研发 ，至今也历 史有 3 0年 ， 达到 目前的水平式经历了好几代 的变更与 改进。而且 ， 此产品跟踪当代技术的水平与速度也是很 紧与很快的。图 1 7展示了不同控制方式的高速开关阀 桥组 ， 其外形一样 。 但 内部的控制是不同的。总线技术 已得到很好 的采纳 ， A S I C也采纳在其 中 见 图 1 8 ， 作 为产 品这 高速快关 阀桥组的封装技术 也是有特色的 ， 一 定封装外盒打开 ．会丧失整个电控部分全部功能。 一 触触 图 1 6 P V E H的结构组成 ■ ⋯ 鼗 。‘‘⋯三 1厂 凌 堪苎鸶 i皇 舔 雏 a 模拟控制 b 总线控制 c 闭环控 制 图 1 7 P V E D高速开关 阀桥组 的不同控制方式 图 1 8 高速快关阀桥组的电控系统图与控制板 7 数字 阀的发展与瓶 颈 回顾数字阀的发展历史 ，可知实际上它的起源并 不晚，只是 由于社会的发展提出了新的应用要求促使 其要应用在更苛刻更高要求的条件下。除去上述 的应 用领域外 ． 在打 印机行业 、 纺织行业等处都是高速开关 阀应用的领域 。而这些领域所应用的阀与系统相互都 有借鉴启发作用。 由于汽车共轨技术的发展极大的促进了高速开关 阀的需求 ， 目前这一技术仍在发展与变化。目前的市场 需求是以百万台计。然而在生产制造上 的要求会更高， 特别是大批量生产的一致性对生产条件带来很苛刻的 要求 ，国际已有的知名品牌会对新的发展造成天然的 屏障与障碍 ， 因此任何新 的投资都要面对这样 的风险。 目前 国内在在方面仍处于中低端水平。将数字阀用于 液压元件的控制在国内液压界已经研究了近 3 0年 ， 也 有些成功的应用 ．但用于产 品还处于研发与项 目应用 的水平 ． 尽管这一方面国外仍然 占据着上风 ， 但压力与 差距不像汽车行业那样明显 ，因此作为中国液压界要 向液压强国发展的过程中 ，高速开关阀是一个 可以突 破的方向。 从技术方面看 ， 高速开关 阀与材料 、 电控 、 加工制 造的关系十分密切 ， 在每一个方面都要有新的创新 ， 尽 管看起来难度也不见得高 ，但 目前 阀的性能参数都接 近极限因此也有许多技术难点需攻克。 参考文献 【 1 】 许仰曾． 2 l 世纪液压泵的发展趋势[J 】 ． 现代制造 ， 2 0 0 1 5 ． 【 2 】 张胜 昌， 钟廷 修 ， 施光林 ， 许仰曾． 基 于快 响应 C A D方法 的高 速 电磁开关 阀设计[ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 2 9 ． [ 3 ] 乐贵菊， 朱小 明， 许仰曾， 隆跃进． 大型防爆蝶 阀电液伺服 比例 控 制快 关调节装置的研制与应用f J 】 ． 阀f 3 , 2 0 0 9 1 0 ． 【 4 】 许仰 曾， 潘骁， 赵晓燕． 液压转向器的 电控 与信息化 发展趋势 f J 1 ． 流体传动与控制， 2 0 0 4 3 ． [ 5 】 许仰 曾， 李 达平， 陈 国贤． 液压数字 阀的发展及其工程应用『 J 1 ． 流体传动与控制， 2 0 1 0 2 ． [ 6 】 汪文 良， 张伟朋 ， 宋宏年 ， 刘忠 良． 数字 阀调速器在蓝 E l 水 电 站 的应用[ J ] ． 水电站设计 2 0 0 9 6 ． 【 7 】 张建明， 张治宇， 刘同安， 王德宽． 快速开关阀水轮 机调 速器及 其应用『 J 】 ． 水电厂 自动化， 2 o o 5 1 ． 【 8 】 何家宁， 王 申， 季启 明． C V T一 1 5 0数字式 调速器在安 康水 电 站 0号机 的应用[ J ] ． 水电站机 电技术， 2 0 0 9 4 ． [ 9 】 李 玉贵， 杨 晓明． 高速开关 阀在 高速带钢 纠偏 系统 中的应用 『 J 1 ． 山西机械 ， 2 0 o 0 2 ．