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电子技术与流体动力传动
 电子技术与流体动力传动
 近年来,流体传动技术借助和移植了电子技术、计算机技术、自动控制技术以及新材料和新工艺等后取得了显著成果。尤其是电子、IT技术和流体传动技术的相互融合,更使其提高了与电机传动的竞争能力,取得新的活力。
 一、电液伺服阀和比例阀的性能不断提高
    电液伺服阀和比例阀是在电液伺服比例系统中将微弱的电能转换为大的液压能量的输出,是该系统的关键元件。它决定系统的精度、频响和工作可靠性,因而自它面世以来,世界各国都对它的研究开发给予了足够的关注。特别在对产品的动态响应、控制精度及工作可靠性(耐污染能力)等方面取得不少成果。
 1. 电液伺服阀产品
1.1 美国MOOG公司
A. 直动型高频响电液伺服阀
    该阀门内置线性永磁式力马达驱动阀芯运动,阀芯的位移由位移传感器进行检测,内置式电子放大器对主阀芯进行闭环控制,该阀的特点是:低泄漏、无先导级流量、能耗较低;阀芯驱动力大,永磁式力马达的驱动力为电磁铁的2倍,抗污染能力强;动态响应好,由于力马达自然频率为250Hz,使阀的动态性能好,且阀的频率与系统压力无关;低滞环、高分辨率、重复精度高;当断电和紧急停车时,阀芯可自动回到空位,使负载处于安全状态;为提高使用寿命,防止阀芯节流边磨损,一般使用时要求过滤精度为10μm(β75)。
例如MOOG公司D633/634系列直动型电液伺服阀,其主要参数为:流量范围:3.8~100 L/min(7.0MPa阀压降);最大工作压力:35MPa;分辨率<0.1%;滞环<0.2%;频响:40~60Hz(±100%输入信号)。
B. 先导级为射流管的双级电液伺服阀
    公司多年来一直生产喷咀档板型双级电液伺服阀,该阀具有高频响、高精度等性能,但是耐污染能力差,要求油液清洁度高。最近发展了先导级为射流管的双级电液伺服阀。该阀动态性能好,耐污染能力强,主阀芯位置用位移传感器进行电反馈,由内置式电子放大器对阀芯进行闭环控制,具有故障保险(Fail-safe)功能。当出现意外断电故障时,可保障机器设备处于安全位置。最低先导级的控制压力为2.5MPa,这一优点可使该阀应用于汽轮机之类的低压控制系统中。
C. D660系列伺服比例阀
    公司的D660系列伺服比例阀可用作二通、三通、四通和五通节流型的流量控制阀,适用于电液位置、电液速度、电液压力和电液力控制系统中,具有很高的动态响应特性和可靠性,广泛应用于各种注塑机、中空成型机、压铸机、压力加工机械、造纸和木材加工等行业。其主要性能:流量范围30~1500 L/min(1.0MPa 阀压降);最大工作压力35.0 MPa;分辨率 <0.2%;滞环<1.0%;响应时间12~42ms;工作压力为21.0MPa。
 1.2 日本油研公司的直动式电液伺服阀
    该公司的内置放大器直动式电液伺服阀L5VHG系列,只需用24V电源输入一个0~±10V的指令信号便可获得高精度的液压控制。该阀由小型强力马达驱动阀芯,阀芯位移用差动变压器进行检测,内置电子放大器进行阀环控制。LSVHG-03EH型的主要性能是:额定流量180 L/min,工作压力35MPa,滞环死区<0.2%,频响80~100Hz(±25%V输入,相位滞后-900),带有故障指示信号(在14 MPa条件下的试验结果),耐污染能力强(NAS10级)。
 1.3 Bosch-Rexroth公司的电液伺服阀
    Bosch-Rexroth公司在日本东京IFPEX 2005展会上展出了品种齐全的电液伺服阀。其中内置电子线路的高频响伺服阀采用直线式电磁铁驱动阀芯,由差动变压器检测阀芯位移,电子线路控制组成闭环系统。4WRPEH系列直动型伺服阀中包括:4WRPEH-6 额定流量为2~40 L/min(共六种规格),频响120Hz(在-900,±5%输入,31.5MPa时);4WRPEH-10 额定流量为50、10 L/min, 频响60Hz(在-900,±5%输入,31.5MPa时)。
 2. 比例控制阀产品
    比例阀具有价格低,耐污染能力强等优点,但与伺服阀比频率响应性能差,一般只用于开环系统。为了使其能用于高响应、高精高的闭环系统,各公司开发了高频比例控制阀。
 2.1. MOOG公司产品
    MOOG公司生产的D680系列伺服比例阀采用了高性能直动式伺服阀作先导级,降低了先导阀泄漏,提高了阀的动态性能,主阀芯位移用位置传感器检测,内置式电子放大器对主阀芯位置进行闭环控制,使用方便。其主要性能:流量范围30~500L/min(1.0MPa 阀压降);最大工作压力35.0 MPa;响应时间11~14ms;分辨率<0.03%;滞环  <0.2%;工作压力21.0MPa。
2. 2 Bosh-Rexroth公司
    公司开发了直动型高频比例阀4WRSE系列,采用高频比例电磁铁驱动,阀芯位移用电反馈,内置电子线路实现阀芯的闭环控制,具有良好的频响特性80~105Hz(±10%输入,21MPa时)。
 2.3 意大利ATOS公司
    公司生产了品种齐全的比例阀,由高精度比例电磁铁驱动阀芯位移,由位置传感器进行检测,内置电子线路实行闭环控制,频响接近一般电液伺服阀(25~60Hz,100%阀行程)。但同时还保留了比例阀的特点,比如耐污染能力强,不需要很精细的滤油器,高可靠性、易维修、维护费用低等。
二、 发展电子控制液压变量油泵,实现节能,提高精度
    由电子控制装置实现变量柱塞泵的流量、压力和功率控制。电子控制装置主要由高频响电液比例阀、压力和位移传感器、电子控制器组成。用闭环控制取代原来的开环控制,通过微处理器改变微处理程序,实现泵的各种控制形式,合理的功率匹配和软启动,并适应负荷变化改变油泵参数(如流量和压力)。比如Bosh-Rexroth公司生产的ALOVSO DFEE变量柱塞泵 。
    在东京IFPEX 2005展览会上日本油研公司展出了带闭环控制和开环控制的变量柱塞泵,具有良好的节能效果。它们是A系列04型电液比例负荷传感型和A系列04E型电液比例流量、压力闭环控制型比例变量柱塞泵。
    A系列04E型变量柱塞泵是以比例技术为基础结合电子技术和传感技术,实现闭环控制的变量柱塞泵。通过比例阀对压力和流量进行匹配控制,并由压力传感器和斜盘角度传感器对输出压力和流量持续监控,使输出的压力和流量更精确,更接近实际需要的压力和流量,所以更节能,控制精度也更高。
 三、发展电气液压融合系统(Hybrid系统)
    这是日本液压界建立的新概念,即将液压技术、电子技术、计算机技术和电气技术相融合,简称Hybrid系统。它是高速变频器(电机)和AC伺服电动机驱动定量泵的可变速的控制系统,在日本这类系统已经商品化。当执行器不工作时,电机转速以低速运行或停止运行,可以大量节省能量消耗,还可降低噪声和系统温升,油箱的容积和用油量大大减少,下面介绍几个产品:
 1.日本大金(DAIKIN)公司生产的SUT高级高压液压单元
    大金公司以生产变频空调闻名于世,他们将变频空调技术移植到液压工业,先后开发了高速变频器和IPM节能高效电机。IPM电机驱动系统采用了新材料硅钢片和稀土类磁铁,驱动原理除了磁性扭矩外也利用了磁阻扭矩。在整个工作范围内比异步电机效率高、速度精度高、没有滑动、指令同步运转、不受负载影响、扭矩特性优良,即使低速时扭矩也不变小。价格低于AC马达,比异步电机加普通变频机稍高。
    大金公司的SUT高压超级单元融合了大金独有的高效率IPM电机驱动系统和液压泵切换控制技术,具体优点包括:通过4种模式的P、Q设定值进行选择,简单实现了多级压力、流量控制;节能率达到50%(保压时21MPa);低噪声60dB(A)(21MPa保压时),在全负荷运转时噪声也在70 dB(A)以下;系统温升小,油箱容积小,用油量少;可减少大量阀门,减少系统阻力和漏油点,减少漏油机率。
 2.日本油研公司生产的1H伺服控制单元
    该单元由AC伺服马达、柱塞泵、油箱及液压控制回路组成一体的小型节能低噪声液压装置。根据伺服电动机的转数控制油泵的输出流量、压力,配置带位置传感器的液压缸及专用控制器可以构成简易的位置、速度、压力、闭环控制系统。其主要特点包括:节省能耗,在保压时系统消耗能量为老系统的1/10;噪声低,在压力控制时,油泵回转是为了补偿油压内部泄漏,油泵在低速回转时噪声很小;在流量控制时,油泵转数主要满足主机所需的流量,在低于额定最高转速下工作,因而噪声较小;小型化,由于系统发热小,油箱容积小,因此由AC电动机、油泵、油箱、液压控制回路组成的一体化单元,实现了小型化,同时可直接装于主机上。
3.川崎电液融合系统(Electro-hydraulic Hybrid System),川崎ECO伺服单元 
    该系统是由带有压力和流量反馈功能的控制器、变频器、感应电机、K3VL轴向柱塞泵、阀门、执行器及压力和位置传感器组成的闭环控制系统。其特点是:高压、大流量(最大工作压力35MPa,排量22~140cm3);适应环保要求,采用两级切换式液压泵和变频电动机组合,实现了节省能耗和低噪声运转;由于配置了专用控制器,使之成为高精度的电液控制系统;应用于中小型压机、机床、试验装置及各种产业机械用液压源;油泵排量22~140 cm3/r(五种规格);最高压力35MPa;电机容量 11~55kW(五种规格)。
四、适应PLC控制和总线连接
1. 低能耗电磁阀产品
    在东京IFPEX 2005展会上,各公司展出了低能耗电磁阀产品,努力降低电磁换向阀的能耗和满足现场总线接口的要求。
    低保持电流的小型电磁阀。日本TOKIMEC公司展出的DG4VL-3和DG4VL-5小型电磁阀的保持电流分别减低到6W和7.5W,是驱动电磁铁功率的1/4(保持电流为换向后使阀芯保持位置所需的电流)。
    TOKIMEC公司生产的DG4VC-3和DG4VC-5微小电流控制的小型电磁阀的控制信号为24V、10mA;内置半导体开关,PLC可直接控制,不需外部继电器,从而可节省开关柜尺寸;适应总线M12接口。
 2.气动元件
    气动技术是自动化不可缺少的重要手段。近年来的发展动向是向小型化、低能耗、精度化、组合化、高速化和洁净化方向发展,尤其是气动系统的洁净化和低能耗等促进了半导体工业和制药工业的发展,国外一些展览会上更充分显示了气动技术的发展。
2.1.小型化、低能耗电磁阀
日本SMC公司开发的SO70电磁阀,阀宽7mm,重量仅5g(阀单体),消耗电力0.35W(标准),采用节能回路时为0.1W,流通能力Cv0.021,工作噪声为38dB(A)以下。
 2.2.高集成树脂气路块
    节省空间、配置简单、重量轻,采用热熔技术成功地制造出过去注射成形工艺所不能完成的立体流路。可满足各种用户多样化安装的要求,由于印刷电路板集层化,简化了配线工件。
 2.3.适应现场总线控制的气动元件
    现场总线可用单行方式实现信号传递,可以简化布线,节省大量电缆消耗,还可大大缩减复杂系统的调试、故障诊断及日常维护工作。日本SMC公司生产的适用于总线接口的气动电磁换向阀组GW装置/EX510(图18),输入和输出各为64个点,可适用于CC-Link、Device Net、ProfiBUS-DP的连接。SMC生产的大部分气动电磁阀都适用总线通信系统。
2.4.Parker-KURODA公司的VA01系统小型直动电磁阀
    该阀应用高速电磁铁,频率响应时间为3ms,误差精度为±1ms以下,寿命为2亿次,发尘量甚小,10万次换向后Φ0.3μm的粒子数几乎为零。该阀宽10mm,带阀座重量为35g,音速流导C值为0.2dm3/s.bar。该阀可用于真空和正压系统,不含有害物质,符合ROHS指令要求。
2.5.日本小金井推出的电磁式无活塞杆气缸
    为适应某些领域的需要,近年来不少公司推出了电动气缸、磁性无杆气缸等产品。小金井的产品采用了公司独自生产的铝管,特点是低速性能好,可达8mm/s,带防冲击器,安装方便。产品符合ROHS指令要求,不含有害物质。
 结束语
    流体动力传动是工业自动化技术的重要组成部分,它是主机向智能化、自动化、高速化、高效率、高精度、高可靠性、多样化、洁净化方向发展不可缺少的关键技术。近年来,由于流体动力技术与电子技术、信息技术相结合,使它产生了新的活力,提高了与电气和机械传动的竞争力。
只要沿着此方向走下去,并不断跟踪和移植新技术成果,比如电子、信息、计算机、磨擦磨损等新技术、新工艺、新材料等成果,发挥流体传动的优点,克服能耗大、噪声大等缺点。作为现代传动与控制的重要组成部分的流体传动技术,将不断扩大应用领域,保持强大的竞争力,并不断向前发展。
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