伺服阀的原理
双喷嘴挡板式力反馈二级电液伺服阀由电磁和 液压两部分组成。电磁部分是永磁式力矩马达 ,由 永久磁铁 ,导磁体 ,衔铁 ,控制线圈和弹簧管组成。 液压部分是结构对称 的二级液压放大器 ,前置级是 双喷嘴挡板阀,功率级是 四通滑阀。滑阀通过反馈 杆与衔铁挡板组件相连。
力矩马达把输入的电信号(电流)转换为力矩输 出。无信号时,衔铁 由弹簧管支撑在上下导磁体的 中间位置 ,永久磁铁在 四个气隙中产生 的极化磁通 是相同的力矩马达无力矩输出。此时,挡板处于两 个喷嘴的中间位置,喷嘴两侧的压力相等,滑阀处于 中间位置 ,阀无液压输出;若有信号时控制线圈产生 磁通 ,其大小和方向由信号电流决定 ,磁铁两极所受 的力不 一样 ,于是,在磁铁上产生 磁转矩 (如逆 时 针),使衔铁绕弹簧管 中心逆时针方 向偏转 ,使挡板 向右偏移 ,喷嘴挡板的右侧间隙减小而左侧间隙增 大 ,则右侧压力大于左侧压力 ,从而推动滑阀左移。 同时,使反馈杆产生弹性变形 ,对衔铁挡板组件产生 一个顺时针方向的反转矩。当作用在衔铁挡板组件 上的电磁转矩,弹簧管反转矩 ,反馈杆反转矩等诸力 矩达到平衡时,滑阀停止移动,取得一个平衡位置并有相应的流量输出。 滑阀位移 ,挡板位移 ,力矩马达输出力矩等都与 输入的电信号(电流 )成比例变化。
伺服阀的基本组成
由力矩马达和液压放大器组成。
力矩马达组成
由一对永久磁铁、导磁体和衔铁、线圈和内部悬置挡板的弹簧管等组成 。
液压放大器组成
前置放大器 前置放大级是一个双喷嘴挡板阀,它主要由挡板、喷嘴、节流孔和滤油器组成。
功率放大器 功率放大级主要由滑阀9和挡板下部的反馈弹簧片组成。
伺服阀的选型
对于伺服阀的选取,有许多因素可考虑,但有两点是设计者必须认真对待的。
1 阀的类型
在满足系统最重要指标(如阀的频宽、流量特性等) 的前提下,尽量考虑选用对油的污染敏感度低的伺服阀(而不是比例阀) 。实践证明,80 %以上伺服阀的故障与70 %以上的伺服系统的故障来自于油的污染,而油的污染最容易堵塞的是伺服阀的流道(如喷嘴挡板阀的喷嘴与挡板间的间隙,通常其间隙量小于0. 1mm) 。
就阀本身而言,一般情况下,其对油的污染的不敏感性为:大流量阀优于小流量阀(结构形式和放大级数相同前提下) ,动圈式力马达(推力或力矩大) 优于动铁式力矩马达,滑阀式(取消固定节流孔后流道变大) 和射流管式(喷嘴及其与接受孔间的距离大) 优于喷嘴挡板式,比例阀(其滑阀行程xv 大) 优于伺服阀,比例压力阀或比例拆装阀优于比例方向阀。如喷嘴挡板式伺服阀,对油的精度要求为优于NAS1638 标准的6 级( ISO4406 标准的14/ 11 级) ,而动圈式力马达式伺服阀或比例方向阀,对油的精度要求为NAS1638 标准的7 级( ISO4406 标准的15/ 12 级) 即可。而比例压力阀或比例拆装阀对油的精度要求还可再低一个等级,如NAS1638 标准的8 级( ISO 标准的16/ 13 级) ,已接近普通拖动系统对油的使用要求。
有一种考虑是设计中尽量选用比例阀,其依据是既可使系统对油的精度要求降低,又可降低成本。笔者认为这种想法是不足取的。因为比例阀不仅频响低(一般低于10 赫芝,新设计概念的“比例阀”另当别论,因其已超出了传统比较阀的范畴,且价格不菲) ,更要紧的是,由于结构原理和加工精度等原因,它的非线形区(死区) 范围大。所以选用比例阀作闭环控制的直接后果是:
(1) 使整个系统的频响大大降低。由控制理论分析知,即使执行机构(即缸) 的频响再高,整个系统的频宽也不会大于10 赫芝。
(2) 有可能使控制系统不稳定(由控制理论非线形分析可知) ,造成伺服液压缸无法正常工作。所以,在选用比例阀时应慎重。一般认为,在满足频响(由分析知,当阀的频响大于3 倍缸的频响时,系统动特性就由缸的频响决定) 的前提下,对于中小流量(小于100 升/ 分) 情况,建议选用单级动圈式马达驱动滑阀式伺服阀(如Moog633 、634 等,其频响很易做到80 - 100 赫芝) 。对于大流量(100 升/ 分以上) ,建议选用动圈式力马达为先导级的滑阀式多级伺服阀(如上海液压件一厂的DY系列、北京机械工业自动化所的SV 系列等,其频响可达50 - 80 赫芝) 。
这种仅供参考的选取,可以兼顾伺服缸对动态性能的要求和对油的污染度的要求。
2 阀的流量
一般选取的顺序是,先由执行机构最大负载pL下应达到的速度确定负载流量QL ,再由QL 确定系统的空载流量QS ,即
QS = QL
pS
pS - pL
式中: pS -系统供油压力;
pL -负载压力
定出QS 后,再由样本选取规定阀压降ΔpN (一般为7MPa) 下的空载流量QR ,即:
QR = QS
ΔpN
pS
这样,阀的流量就可以初步确定下来了。
但是,考虑到输入信号的多变性(常会大于预计输入信号的最大值,此时会引起流量饱和,劣化系统的品质指标) ,为使控制系统具有较强的适应性,建议实际选用的伺服阀的空载流量QR应大于或等于2 倍的计算空载流量QR 。阀的规格过大的不足是响应慢(因惯量大) ,且阀的大行程得不到经常有效的工作和磨合,系统的灵敏度也差。
改善这种状况有效的做法是,选用两个较小规格的伺服阀,其流量之和等于所需的一个大规格阀的流量,将其并联使用,这可在几乎不增加成本的前提下明显改善伺服缸的动特性。
伺服阀的常见故障
1 力矩 马达部分
1.1 线圈断线 :引起阀不动作,无电流。
1.2 衔铁卡住或受到限位 :原因为工作气隙内有 杂物,引起阀门不动作。
1.3 球头磨损或脱落 :原因为磨损 ,引起伺服阀 性能下降 ,不稳定 ,频繁调整。
1.4 紧固件松动 :原因为振动 ,固定螺丝松动等, 引起零偏增大。
1.5 弹簧管疲劳:原 因为疲劳,引起系统迅速失 效 ,伺服阀逐渐产生振动,系统震荡,严重 的管路也 振动 。
1.6 反馈杆弯曲:疲劳或人为损坏 ,引起阀不能 正常工作 ,零偏大 ,控制电流可能到最大。
2 喷嘴挡板部分:
2.1 喷嘴或节流孔局部或全部堵塞 :原因为油液 污染。引起频响下降,分辨率降低 ,严重的引起系统 不稳定 。
2.2 滤芯堵塞:原 因为油液污染。引起频响下 降 ,分辨率降低 ,严重的引起系统摆动。
3 滑阀放 大器部 分 :
1 刃边磨损 :原因为磨损。引起泄漏 ,流体躁 声大 ,零偏大 ,系统不稳定 。
2 径 向滤芯磨损 :原因为磨损。引起泄漏增 大,零偏增大 ,增益下降。
3 滑 阀卡滞 :原 因为油液污染 ,滑阀变形。引 起波形失真,卡死。
4 其 它部 分 :
4.1 密封件老化 :寿命已到或油液不符。引起阀 内外渗油 ,可导致伺服阀堵塞。