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                            數字液壓閥及其閥控系統發展和展望

                            2019-7-6 17:38| 發布者: 液壓哥| 查看: 3216| 評論: 0 |原作者: 楊華勇等

                            簡介:作者:楊華勇 王雙 張斌 洪昊岑 鐘麒(浙江大學流體傳動與機電系統國家重點實驗室) 引言 液壓傳動具有功率密度比大、輸出力大、易于實現直線運動等優點,因此廣泛應用于工業液壓以及工程機械等領域。從1648年法國人帕 ...

                            作者:楊華勇 王雙 張斌 洪昊岑 鐘麒(浙江大學流體傳動與機電系統國家重點實驗室)

                            引言

                            液壓傳動具有功率密度比大、輸出力大、易于實現直線運動等優點,因此廣泛應用于工業液壓以及工程機械等領域。從1648年法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體壓力傳遞的基本定律開始,至今已發展近四個世紀。20世紀,控制理論與工程實踐的飛速發展,為電液控制工程的進步提供了理論基礎和技術支持。隨著微電子技術的不斷進步,微處理器、電子功率放大器、傳感器與液壓控制單元的相互集成,形成了機械-電子-液壓一體化產品,不但提高了系統的靜態動態控制精度,而且提升了系統智能化程度及可靠性和魯棒性,提高了系統對負載、環境以及自身變化的自適應能力 。進入21世紀,人力與能源成本的提高,對工業生產、制造與加工的現代化和智能化要求越來越高。然而,液壓元件的成本遠高于機械傳動元件。據統計,液壓傳動元件成本高達40~80英鎊/千克,而機械傳動元件的平均成本只有15英鎊/千克 。現有液壓元件另一個致命的弱點是效率低下。雖然一些液壓和液壓馬達可以達到97%以上的效率,但是在負載端的利用效率卻不高,大量的能量以節流或者溢流的方式消耗掉。在挖機系統中,甚至80%的能量耗散是在液壓系統中。殘酷的市場競爭與現實需求表明,液壓傳動如果想要生存下去,必須開發與推廣更高效、更低成本的液壓元件與液壓系統。因此,在工業與研究領域,科研人員提出電液流量匹配系統、負載口獨立控制系統、二次調節系統、混合動力系統、液壓變壓器和新型的液壓泵與液壓閥等新研究方向。

                            作為液壓系統中最重要的控制元件,液壓閥負責實現整個系統的控制功能,是最敏感的元件,往往也是最貴的液壓元件 。數值計算仿真、動態響應分析、線性或非線性建模等技術的應用使得液壓閥的設計方法與制造技術獲得很大進步。數字閥的出現是液壓閥技術發展的最典型代表,其極大的提高了控制的靈活性,直接與計算機接口,無需D/A轉換元件,機械加工相對容易,成本低、功耗小,且對油液不敏感。

                            目前,對于數字液壓的定義國內外比較主流的觀點有如下幾種。坦佩雷理工大學(Tampere University of Technology)的Matti Linjiama多年致力于數字液壓元件的研究,他認為“Digital fluid power means hydraulic and pneumatic systems having discrete valued component(s)actively controlling system output”。國內學者從上世紀80年代開始研究數字液壓元件和系統,一些研究人員認為,數字液壓技術是將液壓終端執行元件直接數字化,通過接受數字控制器發出的脈沖信號和計算機發出的脈沖信號,實現可靠工作的液壓技術,將控制還回給電,而數字化的功率放大留給液壓。從以上的主流觀點可以將數字閥歸結為狹義的數字閥(坦佩雷理工大學的觀點)與廣義的數字閥。據此,液壓元件具有流量離散化(Fluid flow discretization)或控制信號離散化(Control signal discretization)特征的液壓元件,稱為數字液壓元件(Digital hydraulic component),具有數字液壓元件特征的液壓系統稱為數字液壓系統(Digital hydraulic system)。

                            1 數字液壓閥研究現狀與發展

                            如圖1所示為現有數字閥產品及分類。從現有的液壓閥元件來看,狹義的數字閥特指由數字信號控制的開關閥及由開關集成的閥島元件。廣義的數字閥則包含由數字信號或者數字先導控制的具有參數反饋和參數控制功能的液壓閥。

                            圖1 數字液壓閥分類Fig.1 Digital hydraulic valves

                            從數字液壓閥的發展歷程可以將數字閥的研究分為兩個方向:增量式數字閥與高速開關式數字閥。增量式數字閥將步進電機與液壓閥相結合,脈沖信號通過驅動器使步進電機動作,步進電機輸出與脈沖數成正比的步距角,再轉換成液壓閥閥芯的位移。上世紀末是增量式數字閥發展的黃金時期,以日本東京計器公司生產的數字調速閥為代表,國內外很多科研機構與工業界都相繼推出了增量式數字閥產品。然而,受制于步進電機低頻、失步的局限性,增量式數字閥并非目前研究的熱點。

                            高速開關式數字閥一直在全開或者全閉的工作狀態下,因此壓力損失較小、能耗低、對油液污染不敏感。相對于傳統伺服比例閥,高速開關閥能直接將ON/OFF數字信號轉化成流量信號,使得數字信號直接與液壓系統結合。近些年來,高速開關式數字閥一直是行業研究熱點,主要集中在電-機械執行器、高速開關閥閥體結構優化及創新、高速開關閥并聯閥島以及高速開關閥新應用等方面。

                            1.1 高速開關電-機械執行器的發展

                            上世紀中期開始,對于高速開關電磁鐵的研究就一直是高速開關閥研究的重點。英國LUCAS公司,美國福特公司,日本Diesel Kiki公司,加拿大多倫多大學等對傳統E型電磁鐵進行改進,提高了電磁力與響應速度。浙江大學研發了一種并聯電磁鐵線圈提高電磁力。試驗顯示電磁鐵的開關轉換時間與延遲都得到了明顯的縮短。芬蘭Aalto工程大學(Aalto University School of Engineering)研究了5種軟磁材料用于電磁鐵線圈的效果以及不同的匝數及尺寸對驅動力的影響。奧地利林茨大學(Johannes Kepler University Linz)對因加工誤差、摩擦力和裝配傾斜造成的電磁鐵性能差異進行了詳細的分析。

                            超磁滯伸縮材料與壓電晶體材料的應用為高速開關閥的研發提供了新的思路。瑞典用超磁致伸縮材料開發了一款高速燃料噴射閥。通過控制驅動線圈的電流,使超磁滯伸縮棒產生伸縮位移,直接驅動使閥口開啟或關閉,達到控制燃料液體流動的目的。這種結構省去了機械部件的聯接,實現燃料和排氣系統快速、精確的無級控制。超磁致伸縮材料對溫度敏感,應用時需要設計相應的熱抑制裝置和熱補償裝置。中國航天科技集團公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應,研發了一款由PZT壓電材料制作的超高速開關閥,如圖2所示。該閥在額定壓力10MPa下流量為8L/min,打開關閉時間均小于1.7 ms。壓電材料脆性大,成本高,輸出位移小,容易受溫度影響,因此其運用受到限制。浙江大學歐陽小平等與南京工程學院許有熊等就壓電高速開關閥大流量輸出和疲勞強度問題設計了新的結構,并進行了仿真與實驗分析。

                            美國Purdue大學研制了一種創新型的高速開關閥電-機械執行器EAC(Energy coupling actuator),如圖3所示。其包括一個持續運動的轉盤和一個壓電晶體耦合裝置。轉盤一直在順時針運動,通過左右兩個耦合機構分時耦合控制主閥芯的啟閉。試驗表明5ms內達到2mm的輸出行程。

                            圖2 PZT高速開關閥結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of PZT high-speed on/off valve

                            圖3 壓電EAC原理概念圖Fig.3 Piezo EAC concept

                            1.2 高速開關閥閥體結構優化與創新

                            高速開關閥常用的閥芯結構為球閥式和錐閥式。浙江大學周盛研究了不同閥芯閥體結構液動力的影響及補償方法。通過對閥口射流流場進行試驗研究,對流場內氣穴現象及壓力分布進行觀測和測量。美國BKM公司與貴州紅林機械有限公司合作研發生產了一種螺紋插裝式的高速開關閥(HSV),使用球閥結構,通過液壓力實現銜鐵的復位,避免彈簧復位時由于疲勞帶來復位失效的影響。推桿與分離銷可以調節球閥開度,且具有自動對中功能。該閥采用脈寬調制信號(占空比為20%~80%)控制,壓力最高可達20MPa,流量為2~9L/min,啟閉時間≤3.5ms。該高速開關閥代表了國內產業化高速開關閥的先進水平,如圖4所示。

                            美國Caterpillar公司研發了一款錐閥式高速開關閥,如圖5所示。該閥的閥芯設計為中空結構,降低了運動質量,提高了響應速度與加速度。其將復位彈簧從銜鐵位置移動至閥芯中間部位,使得閥芯在尾部受到電磁力,中間部位受到彈簧回復力,在運動過程中更加穩定。但是此設計使得閥芯前后座有較高的同軸度要求,初始氣隙與閥芯行程調節較難,加工難度高,制造成本大。該閥開啟、關閉時間為1ms左右,目前已經在電控燃油噴射系統中得到運用。美國Sturman Industries公司開發了基于數字閥的電噴系統,其系統所用高速開關閥最小響應時間可達0.15ms。

                            圖4 貴州紅林HSV高速開關閥Fig.4 HSV high-speed on/off valve

                            圖5 Caterpillar公司的錐閥式高速開關閥Fig.5 Poppet high-speed on/off valve of Caterpillar

                            除了采用傳統結構的高速開關閥,新型的數字閥結構也是研究的重點。明尼蘇達大學(University of Minnesota)設計了一種通過PWM信號控制的高速開關轉閥,如圖6所示。該閥的閥芯表面呈螺旋形,PWM信號與閥芯的轉速成比例。傳統直線運動閥芯運動需要克服閥芯慣性而造成的電機械轉換器功率較大,而該閥的驅動功率與閥芯行程無關。從實驗結果可知,在試驗壓力小于10 MPa的情況下,該閥流量可以達到40L/min,頻響100Hz,驅動功率30 W。

                            浙江工業大學在2D電液數字換向閥方面展開研究,如圖7所示。其利用三位四通2D數字伺服閥,在閥套的內表面對稱的開一對螺旋槽。通過低壓孔、高壓孔與螺旋槽構成的面積,推動閥芯左右移動。步進電機通過傳動機構驅動閥芯在一定的角度范圍內轉動。該閥利用旋轉電磁鐵和撥桿撥叉機構驅動閥芯作旋轉運動;由油液壓力差推動閥芯作軸向移動,實現閥口的高速開啟與關閉。當用旋轉電磁鐵驅動時,在28 MPa工作壓力下,閥芯軸向行程為0.8mm,開啟時間約為18ms,6mm通徑閥流量高達60L/min。

                            圖6 高速開關轉閥Fig.6 High-speed rotary on/off valve

                            圖7 2D電液數字換向閥原理Fig.7 Schematic diagram of 2Ddigital valve

                            1.3 高速開關閥并聯閥島研究

                            上述研究都是針對數字信號控制的高速開關閥。然而,由于閥芯質量、液動力和頻響之間的相互制約關系,單獨的高速開關閥都面臨著壓力低、流量小的限制,在挖掘機起重機工程機械上應用還具有一定的局限性。為解決在大流量場合情況下的應用問題,國外研究機構提出了使用多個高速開關閥并聯控制流量的數字閥島結構。以坦佩雷理工大學為代表,丹麥奧爾堡大學(Aalborg University)與巴西圣卡塔琳娜州聯邦大學(Federal University of Santa Catarina)都在這方面有深入的研究。

                            坦佩雷理工大學(Tampere University of Technology)研究的SMISMO系統。采用4*5個螺紋插裝式開關閥控制一個執行器,使油路從P-A,P-B,A-T,B-T處于完全可控狀態,每個油路包含5個高速開關閥,每個高速開關閥后有大小不同的節流孔,如圖8所示。通過控制高速開關閥啟閉的邏輯組合,實現對流量的控制。通過仿真和實驗研究,采用SMISMO的液壓系統更加節能。

                            圖8 SMISMO系統原理圖Fig.8 Hydraulic circuit diagram of SMISMO

                            由此發展的DVS(Digital hydraulic valve system)將數個高速開關閥集成標準接口的閥島,如圖9所示。其采用層合板技術,把數百層2mm厚的鋼板電鍍后熱處理融合,解決了高速開關閥與標準液壓閥接口匹配的問題。目前,已經成功的在一個閥島上最高集成64個高速開關閥。關于數字并聯閥島,最新的研究進展關注在數字閥系統的容錯及系統中單閥的故障對系統性能的影響。

                            圖9 數字閥層板與集成閥島Fig.9 Selected plates and assembly of the manifold

                            1.4 高速開關閥應用新領域

                            高速開關閥的快速性和靈活性使得其迅速應用在工業領域。目前在汽車燃油發動機噴射、ABS剎車系統、車身懸架控制以及電網的切斷中,高速開關閥都有著廣泛的應用。維也納技術大學(Vienna University of Technology)將高速開關閥應用于汽車的阻尼器中,分析了采用并聯和串聯方案的區別。并且通過實驗與傳統阻尼器的性能進行對比,比較結果說明了數字閥應用的優點。

                            英國巴斯大學(University of Bath)利用流體的可壓縮性以及管路的感抗效應建立了SID(Switched inertance device)以及SIHS系統。其最主要的元件為兩位三通高速開關閥和一細長管路,如圖10所示。SIHS系統有兩種模式:流量提升和壓力提升,壓力的升高對應流量的減小,反之流量的增加對應壓力的降低。在流量提升時,首先是高壓端與工作油口聯通使得在細長管路內的流體速度升高。高速開關閥此時快速切換使得低壓端與工作油口聯通,因為細長管在液壓回路中呈感性,會將流量從低壓端拉入細長管,實現提高流量降低壓力的效果。對于壓力提升,供油端通過細長管與高速開關閥相連。初始細長管與工作油口相連,高速開關閥換向使得細長管的出口連接回油端。因回油壓力遠小于供油壓力,此時細長管中的流體開始加速。此后再將高速開關閥切換到初始位置,因流體的可壓縮性使得工作油口的壓力升高。通過仿真和實驗證實了使用高速開關閥快速切換性帶來壓力和流量提升的正確性。功率分析結果與實驗表明,如果進一步提高參數優化和控制方式,此方案能夠提升液壓傳動效率。

                            圖10 SID:流量提升與壓力提升原理圖Fig.10 Flow booster and pressure booster of SID

                            將高速開關閥作為先導級控制主閥的運動,獲得高壓大流量是目前工業界研究和推廣的重點。Sauer-Danfoss公司開發了PVG系列比例多路閥,其先導閥采用如圖11所示電液控制模塊(PVE),將電子元件、傳感器和驅動器集成為一個獨立單元,然后直接和比例閥閥體相連。電液控制模塊(PVE)包含4個高速開關閥組成液壓橋路控制主閥芯兩控制腔的壓力。通過檢測主閥芯的位移產生反饋信號,與輸入信號做比較,調節4個高速開關閥信號的占空比。主閥芯到達所需位置,調制停止,閥芯位置被鎖定。電液控制模塊(PVE)控制先導壓力為13.5×105Pa,額定開啟時間為150ms,關閉時間為90ms,流量為5L/min。

                            圖11 Sauer-Danfoss公司的先導高速開關閥原理圖Fig.11 Pilot fast switch valve of Sauer-Danfoss

                            Parker公司所生產的VPL系列多路閥同樣采用這種先導高速開關閥方案,區別是使用兩個兩位三通高速開關閥作為先導,如圖12所示。其先導控制采用PWM信號,額定電壓/電流為12V/430mA或24 V/370 mA,控制頻率為33Hz。

                            圖12 Parker VPL公司的系列多路閥Fig.12 VPL series muti-directional valve of Parker

                            2 數字閥控制技術

                            閥控液壓系統依靠控制閥的開口來控制執行液壓元件的速度。液壓閥從早期的手動閥到電磁換向閥,再到比例閥和伺服閥。電液比例控制技術的發展與普及,使工程系統的控制技術進入了現代控制工程的行列,構成電液比例技術的液壓元件,也在此基礎上有了進一步發展。傳統液壓閥容易受到負載或者油源壓力波動的影響。針對此問題,負載敏感技術利用壓力補償器保持閥口壓差近似不變,系統壓力總是和最高負載壓力相適應,最大限度地降低能耗。多路閥的負載敏感系統在執行機構需求流量超過泵的最大流量時不能實現多缸同時操作,抗流量飽和技術通過各聯壓力補償器的壓差同時變化實現各聯負載工作速度保持原設定比例不變。

                            數字閥的出現,其與傳感器、微處理器的緊密結合大大增加了系統的自由度,使閥控系統能夠更靈活的結合多種控制方式。

                            數字閥的控制、反饋信號均為電信號,因此無需額外梭閥組或者壓力補償器等液壓元件,系統的壓力流量參數實時反饋控制器,應用電液流量匹配控制技術,根據閥的信號控制泵的排量。電液流量匹配控制系統由流量需求命令元件,流量消耗元件執行機構,流量分配元件數字閥,流量產生元件電控變量泵和流量計算元件控制器等組成。電液流量匹配控制技術采用泵閥同步并行控制的方式,可以基本消除傳統負載敏感系統控制中泵滯后閥的現象。電液流量匹配控制系統致力于結合傳統機液負載敏感系統、電液負載敏感系統和正流量控制系統各自的優點,充分發揮電液控制系統的柔性和靈活性,提高系統的阻尼特性、節能性和響應操控性。

                            相對于傳統液壓閥閥芯進出口聯動調節、出油口靠平衡閥或單向節流閥形成背壓而帶來的靈活性差、能耗高的缺點,目前國內外研究的高速開關式數字閥基本都使用負載口獨立控制技術,從而實現進出油口的壓力、流量分別調節。瑞典林雪平(Linkping)大學的Jan Ove Palmberg教授根據Backé教授的插裝閥控制理論首先提出負載口獨立控制(Separate controls of meter-in and meter-out orifices)概念。在液壓執行機構的每一側用一個三位三通電液比例滑閥控制執行器的速度或者壓力。通過對兩腔壓力的解耦,實現控制目標速度控制。此外,在負載口獨立方向閥控制器設計上,采用LQG最優控制方法。在其應用于起重機液壓系統的試驗中獲得了良好的壓力和速度控制性能。丹麥的奧爾堡(Aalborg)大學研究了獨立控制策略以及閥的結構參數對負載口獨立控制性能的影響。美國普渡(Purdue)大學用5個錐閥組合,研究了魯棒自適應控制策略實現軌跡跟蹤控制和節能控制。其中4個錐閥實現負載口獨立控制功能,一個中間錐閥實現流量再生功能。德國德累斯頓工業大學(Technical University Dresden)在執行器的負載口兩邊分別使用一個比例方向閥和一個開關閥的結構,并研究了閥組的并聯串聯以及控制參數對執行器性能的影響。德國亞琛工業大學(RWTH Aachen University)研究了負載口獨立控制的各種方式,并提出了一種單邊出口控制策略。美國明尼蘇達(Minnesota)大學設計了雙閥芯結構的負載口獨立控制閥,并對其建立了非線性的數學模型和仿真。國內學者從20世紀90年代開始對負載口獨立控制技術進行深入研究,浙江大學、中南大學、太原理工大學、太原科技大學、北京理工大學等均在此技術研究與工程應用方面取得相關進展。

                            負載口獨立控制系統,如圖13所示,其優點主要體現在:負載口獨立系統進出口閥芯可以分別控制,因此可以通過增大出口閥閥口開度,降低背腔壓力,以減小節流損失;由于控制的自由度增加,可根據負載工況實時修改控制策略,所有工作點均可達到最佳控制性能與節能效果;使用負載口獨立控制液壓閥可以方便替代多種閥的功能,使得液壓系統中使用的閥種類減少。

                            電液比例控制技術、電液負載敏感技術、電液流量匹配控制技術與負載口獨立控制技術的研究和應用進一步提高了液壓閥的控制精度和節能性。數字液壓閥的發展必然會與這些閥控技術相結合以提高控制的精確性和靈活性。

                            圖13 負載口獨立系統原理圖Fig.13 Schematic diagram of independent metering system

                            3 可編程閥控單元

                            以高速開關閥為代表的數字流量控制技術采用數字信號控制閥或者閥組,使得閥控系統輸出與控制信號相應的離散流量。高速開關閥只有全開和全關兩種狀態,節流損失大大減小;增加了控制的靈活性和功能性;閥口開度固定,對油液污染的敏感度降低。然而,正因為這些特性,這種數字閥要大規模的應用于工業,還有許多問題需要解決:首先,高速開關閥在開啟和關閉的瞬間,對系統造成的壓力尖峰和流量脈動,執行器的運動出現不連續的現象。其次,高速開關閥的響應必須進一步提高,穩定長時間的切換壽命也是必須的。第三,在數字閥島的應用中,所選擇的高速開關閥的啟閉需要同步。在數字流量控制技術發展成熟之前,國外一些廠家綜合了數字信號控制的靈活性以及比例閥在高壓大流量工業場合的成熟應用,開發出閥內自帶壓力流量檢測方式,結合電液流量匹配控制技術與負載口獨立控制技術,閥的功能依靠計算機編程實現的可編程閥控單元(Programmable valve control unit)。

                            伊頓(Eaton)公司開發的ZTS16系列多路閥,額定壓力是35 MPa,單片流量為130L/min,單個閥最多包含6片閥,12個閥芯,如圖14所示。采用CAN總線進行通訊,每片閥自帶DSP數字信號處理器完成信號的采集與上位機信號的處理,生成相應的PWM數字信號,直接驅動先導音圈電機工作。該閥每個工作油口自帶濺射薄膜壓力傳感器,每個閥芯裝有LVDT位移傳感器,能夠將工作油口的壓力流量情況實時的反饋至DSP,實現壓力流量的完全可控。該閥采用負載口獨立控制技術,使得執行器的動作更加靈活。閥的功能完全通過編程來實現,不用添加其他壓力補償元件或者先導回路即可實現壓力控制或者流量控制及工作模式的切換。對于多執行器的應用場合,可以通過程序實現負載敏感和三種抗流量飽和的方案。目前已在JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘機、叉車裝載機上示范應用。

                            圖14 Eaton公司的ZTS16系列多路閥Fig.14 ZTS16control valve of Eaton

                            Husco公司研發了采用螺紋插裝閥結構的EHPV液壓閥,采用雙向兩位控制閥,且帶壓力補償機構,如圖15所示。通過4個閥組形成的液壓橋式回路控制執行器端口的運動狀態。該閥使用CANJ1939總線進行信號的傳遞和控制,可以根據操作者的指令,通過執行器端口的壓力來調節閥的開度。使用該閥可以省去平衡閥組,使得系統的控制功能增加。在復雜運動控制中,采用協調控制算法,提高了操作者的操作效率。EHPV的PWM控制信號頻率為100Hz,額定壓力為350×105Pa,有75 L/min、150 L/min和800L/min三種規格。佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的Amir Shenouda對其應用在小型挖掘機上的性能進行了實驗[67] 。其實驗特點在于,將裝有插裝閥閥組的集成閥塊安裝在近執行器端,避免了液壓管路對控制系統的影響和液壓容腔對控制性能的延遲作用。對于EHPV可編程閥在流量模式切換上和節能性方面的優點給予了理論和實驗證明。另外,此系列閥還應用于JLG公司的登高車上,并進行了系列化生產,動臂下降速度增加12%,泄漏點減少27%,流量增加25%,系統穩定性增加[68] 。

                            雖然可編程閥控單元(Programmable valve control unit)并不能算嚴格意義上的數字閥,但其采用數字信號直接控制,能夠實現高壓大流量的應用。內置傳感器且與數字控制器相配合使用。通過程序,可以自主的決定閥的功能,使得多種多樣的功能閥和先導閥可以用同一種閥控單元的形式替代。在數字液壓元件真正產業化之前,是現有工業應用升級換代和研究的重要方向。對于可編程閥控單元的研究,目前的研究重點在于:①嵌入式傳感器技術與數字信號處理技術;②控制策略開發與傳統功能閥等效技術;③負載功率匹配和多執行器流量分配控制技術。

                            圖15 Husco公司的EHPV閥Fig.15 EHPV valve of Husco

                            4 總結與展望

                            液壓閥的發展經歷了如圖16所示發展歷程,從最開始手動控制只有油路切換功能的液壓閥到采用數字信號能夠進行壓力流量閉環控制的可編程閥再到流量離散化的數字閥,這些元件的產生是液壓、機械、電子、材料、控制等學科交叉發展的結果。而液壓閥的智能化與數字化又增進了工業設備及工程機械的自動化、控制智能化、能量利用效率。

                            圖16 液壓閥的發展歷程Fig.16 Development of hydraulic valve

                            數字閥的發展和應用可以使從事液壓領域工作的技術人員和研究人員從復雜的機械結構和液壓流道中解放出來,專注于液壓功能和控制性能的實現。與傳感器及控制器相結合,可以通過程序與數字閥的組合簡化現有復雜的液壓系統回路。模塊化的數字閥需要其參數、規格與接口統一,讓液壓系統的設計與電路設計一樣標準化。

                            數字閥的重要應用就是利用其高頻特性達到快速啟閉的開關效果或者生成相對連續的壓力和流量。目前,采用新形式、新材料的電-機械執行器,降低閥芯質量和合理的信號控制方式,使得數字閥的頻響提高,應用范圍越來越廣。然而,對于高壓力、大流量系統,普遍存在電-機械轉換器推力不足、閥芯啟閉時間存在滯環等問題。因此,在確保數字閥穩定性的情況下如何提高響應,尤其是在高壓大流量的液壓系統中的使用一直是數字閥的研究重點。

                            隨著人類社會責任感的提高,工業界能量利用效率、對環境的影響都是亟需關注的問題。不能做到節能減排的工業必將會被替代和淘汰。相對而言,液壓傳動的效率并不高,但這也恰恰說明其具有較大的提升空間。與新型的控制方式與電子技術相結合,數字閥工作的過程可以監控其工作端的壓力流量參數、減少背壓、根據工況反饋調節泵參數甚至發動機的參數,以達到節能效果。

                            本文從液壓傳動領域面臨的機遇與挑戰出發,說明研發數字液壓元件的重要性。從國內外主流的觀點中總結對數字液壓元件的定義。分四個方面(電-機械執行器、高速開關閥閥體結構優化及創新、高速開關閥并聯閥島、高速開關閥新應用)介紹了數字閥研究和發展方向。同時,對于數字閥元件采用的新型閥控系統,特別闡述了負載口獨立控制技術的原理、優點。最后,目前高速開關閥目前很少應用在高壓大流量系統中的問題,提出了一種數字信號控制的可編程閥。其綜合了數字信號控制與高壓大流量的特點,是工業領域的應用的重要方向。新技術的出現和與其他領域發展成果相結合,使得數字閥的加工制造成本的下降,控制方式更加智能,其應用必將更加普及,對于提高液壓技術的發展具有至關重要意義。

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