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美國MOOG電液伺服閥簡要分析新型技術
當前,新型電液伺服閥技術的發展趨勢主要體現在新型結構的設計、新型材料的采用及電子化、數字化技術與液壓技術的結合等幾方面。
1新型結構的設計
在20世紀90年代,國外研制直動型電液伺服閥獲得了較大的成就。現形成系列產品的有Moog公司的D633、D634系列的直動閥、伊頓威格士(EatonVickers)公司的LFDC5V型、德國Bosch公司的NC10型、日本三菱及KYB株式會社合作開發的MK型閥及Moog公司與俄羅期沃斯霍得工廠合作研制的直動閥等。該類型的伺服閥去掉了一般伺服閥的前置級,利用一個較大功率的力矩馬達直接拖動閥芯,并由一個高精度的閥芯位移傳感器作為反饋。該閥的zui大特點是無前置級,提高了伺服閥的抗污染能力。同時由于去掉了許多難加工零件,降低了加工成本,可廣泛使用于工業伺服控制的場合。國內有些單位如中國運載火箭技術研究院第十八研究所、北京機床研究所、浙江工業大學等單位也研制出了相關產品的樣機。特別是北京航空航天大學研制出轉閥式直動型電液伺服閥。該伺服閥通過將普通伺服閥的滑閥滑動結構轉變為滑閥的轉動,并在閥芯與閥套上相應開了幾個與軸向有一定傾角的斜槽。閥芯閥套相互轉動時,斜槽相互開通或相互封閉,從而控制輸出壓力或流量。由于在工作時閥芯閥套是相互轉動的,降低了閥工作時的摩擦阻力,同時污染物不容易在轉動的滑閥內堆積,提高了抗污染性能。此外,Park公司開發了“音圈驅動(VoiceCoilDrive)”技術(VCD),以及以此技術為基礎開發的DFplus控制閥。所謂音圈驅動技術,顧名思義,即是類似于揚聲器的一種驅動裝置,其基本結構就是套在固定的圓柱形*磁鐵上的移動線圈,當信號電流輸入線圈時,在電磁效應的作用下,線圈中產生與信號電流相對應的軸向作用力,并驅動與線圈直接相連的閥芯運動,驅動力很大。線圈上內置了位移反饋傳感器,因此,采用VCD驅動的DFplus閥本質上是以閉環方式進行控制的,線性度相當好。此外,由于VCD驅動器的運動零件只是移動線圈,慣量極小,相對運動的零件之間也沒有任何支承,DFplus閥的全部支承就是閥芯和閥體間的配合面,大大減小了摩擦這一非線性因素對控制品質的影響。綜合上述的技術特點,配合內置的數字控制模塊,使DFplus閥的控制性能佳,尤其在頻率響應方面更是*,可達400Hz.從發展趨勢來看,新型直動型電液伺服閥在某些行業有替代傳統伺服閥特別是噴嘴擋板式伺服閥的趨向,但它的zui大問題在于體積大、重量重,只適用于對場地要求較低的工業伺服控制場合。如能減輕其重量、減小其體積,在航空、航天等行業亦具有極大的發展潛力。
另外,近年來伺服閥新型的驅動方式除了力矩馬達直接驅動外,還出現了采用步進電機、伺服電機、新型電磁鐵等驅動結構以及光-液直接轉換結構的伺服閥。這些新技術的應用不僅提高了伺服閥的性能,而且為伺服閥發展開拓了思路,為電液伺服閥技術注入了新的活力。
簡要分析新型美國MOOG電液伺服閥技術發展趨勢
2新型材料的采用
當前在電液伺服閥研制領域的新型材料運用,主要是以壓電元件、超磁致伸縮材料及形狀記憶合金等為基礎的轉換器研制開發。它們各具有其自己的優良特性。
2.1壓電元件
壓電元件的特點是“壓電效應”:在一定的電場作用下會產生外形尺寸的變化,在一定范圍內,形變與電場強度成正比。壓電元件的主要材料為壓電陶瓷(PZT)、電致伸縮材料(PMN)等。比較典型的壓電陶瓷材料有日本TOKIN公司的疊堆型壓電伸縮陶瓷等。PZT直動式伺服閥的原理是:在閥芯兩端通過鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過壓電效應,使壓電材料產生伸縮驅動閥芯移動。實現電-機械轉換。PMN噴嘴擋板式伺服閥則在噴嘴處設置一與壓電疊堆固定連接的擋板,由壓電疊堆的伸、縮實現擋板與噴嘴間的間隙增減,使閥芯兩端產生壓差推動閥芯移動。目前壓電式電-機械轉換器的研制比較成熟并已得到較廣泛的應用。它具有頻率響應快的特點,伺服閥頻寬甚至能達到上千赫茲,但亦有滯環大、易漂移等缺點,制約了壓電元件在電液伺服閥上的進一步應用。
2.2超磁致伸縮材料超磁致伸縮材料(GMM)與傳統的磁致伸縮材料相比,在磁場的作用下能產生大得多的長度或體積變化。利用GMM轉換器研制的直動型伺服閥是把GMM轉換器與閥芯相連,通過控制驅動線圈的電流,驅動GMM的伸縮,帶動閥芯產生位移從而控制伺服閥輸出流量。該閥與傳統伺服閥相比不僅有頻率響應高的特點,而且具有精度高、結構緊湊的優點。目前,在GMM的研制及應用方面,美國、瑞典和日本等國處于水平。國內浙江大學利用GMM技術對氣動噴嘴擋板閥和內燃機燃料噴射系統的高速強力電磁閥,進行了結構設計和特性研究。從目前情況來看GMM材料與壓電材料和傳統磁致伸縮材料相比,具有應變大、能量密度高、響應速度快、輸出力大等特點。世界各國對GMM電-機械轉換器及相關的技術研究相當重視,GMM技術水平快速發展,已由實驗室研制階段逐步進入市場開發階段。今后還需解決GMM的熱變形、磁晶各向異性、材料腐蝕性及制造工藝、參數匹配等方面的問題,以利于在高科技領域得到廣泛運用。
2.3形狀記憶合金形狀記憶合金(SMA)的特點是具有形狀記憶效應。將其在高溫下定型后,冷卻到低溫狀態,對其施加外力。一般金屬在超過其彈性變形后會發生*變形,而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后,會恢復其原來高溫下的形狀。利用其特性研制的伺服閥是在閥芯兩端加一組由形狀記憶合金繞制的SMA執行器,通過加熱和冷卻的方法來驅動SMA執行器,使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長或收縮,驅動閥芯作用移動,同時加入位置反饋來提高伺服閥的控制性能。從該閥的情況來看,SMA雖變形量大,但其響應速度較慢,且變形不連續,也限制了其應用范圍。
與傳統伺服閥相比,采用新型材料的電-機械轉換器研制的伺服閥,普遍具有高頻響、高精度、結構緊湊的優點。雖然目前還各自呈在某些關鍵技術需要解決,但新型功能材料的應用和發展,給電液伺服閥的技術發展發展提供了新的途徑。
從總體來說,我國閥門產品的價格比較平穩,每年雖然略有升降,但幅度都很小。從華北閥門市場看,就發現了許多企業為盈利以次充好,嚴重的擾亂了閥門市場。閥門市場主要存在的問題為:一、部分經營者購買無廠名廠址的,打印廠家的及合格證,對合格閥門企業的聲譽造成嚴重危害。二、翻新閥門,部分經營者通過對廢舊閥門重新油漆后第二次銷售,給工程質量帶來嚴重的安全隱患。
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