廣聯(lián)分享VPP-4302-316-44  VERSA電磁閥工作原理

電磁閥的工作原理是通過(guò)控制電磁鐵的電流通斷，來(lái)控制閥體內(nèi)部的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的通斷或流向的控制。電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開(kāi)有通孔，每個(gè)孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵。當(dāng)哪面的磁鐵線圈通電，閥體就會(huì)被吸引到哪邊。然后通過(guò)控制閥體的移動(dòng)來(lái)檔住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開(kāi)的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排油管，通過(guò)油的壓力來(lái)推動(dòng)油缸的活塞，活塞又會(huì)帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)當(dāng)前在電液伺服閥研制領(lǐng)域的新型材料運(yùn)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(chǔ)的轉(zhuǎn)換器研制開(kāi)發(fā)。它們各具有其自己的優(yōu)良特性。
1.壓電元件

壓電元件的特點(diǎn)是“壓電效應(yīng)”：在一定的電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，形變與電場(chǎng)強(qiáng)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(dòng)式伺服閥的原理是：在閥芯兩端通過(guò)鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過(guò)壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生伸縮驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板式伺服閥則在噴嘴處設(shè)置一與壓電疊堆固定連接的擋板，由壓電疊堆的伸、縮實(shí)現(xiàn)擋板與噴嘴間的間隙增減，使閥芯兩端產(chǎn)生壓差推動(dòng)閥芯移動(dòng)。壓電式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研制比較成熟并已得到較廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，伺服閥頻寬甚至能達(dá)到上千赫茲，但亦有滯環(huán)大、易漂移等缺點(diǎn)，制約了壓電元件在電液伺服閥上的進(jìn)一步應(yīng)用。
2.超磁致伸縮材料
超磁致伸縮材料（GMM）與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在磁場(chǎng)的作用下能產(chǎn)生大得多的長(zhǎng)度或體積變化。利用GMM轉(zhuǎn)換器研制的直動(dòng)型伺服閥是把 GMM轉(zhuǎn)換器與閥芯相連，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，驅(qū)動(dòng)GMM的伸縮，帶動(dòng)閥芯產(chǎn)生位移從而控制伺服閥輸出流量。該閥與傳統(tǒng)伺服閥相比不僅有頻率響應(yīng)高的特點(diǎn)，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。在GMM的研制及應(yīng)用方面，美國(guó)、瑞典和日本等國(guó)處于水平。國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)利用GMM技術(shù)對(duì)氣動(dòng)噴嘴擋板閥和內(nèi)燃機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的高速?gòu)?qiáng)力電磁閥，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和特性研究。GMM材料與壓電材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等特點(diǎn)。世界各國(guó)對(duì)GMM電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的技術(shù)研究相當(dāng)重視，GMM技術(shù)水平快速發(fā)展，已由實(shí)驗(yàn)室研制階段逐步進(jìn)入市場(chǎng)開(kāi)發(fā)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(shù)匹配等方面的問(wèn)題以利于在高科技領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。
3.形狀記憶合金

形狀記憶合金（SMA）的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)。將其在高溫下定型后，冷卻到低溫狀態(tài)，對(duì)其施加外力。一般金屬在超過(guò)其彈性變形后會(huì)發(fā)生變形，而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后，會(huì)恢復(fù)其原來(lái)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(zhí)行器，通過(guò)加熱和冷卻的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)SMA執(zhí)行器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長(zhǎng)或收縮，驅(qū)動(dòng)閥芯作用移動(dòng)，同時(shí)加入位置反饋來(lái)提高伺服閥的控制性能。從該閥的情況來(lái)看，SMA雖變形量大，但其響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，也限制了其應(yīng)用范圍。
與傳統(tǒng)伺服閥相比，采用新型材料的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研制的伺服閥，普遍具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。雖然還各自呈在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但新型功能材料的應(yīng)用和發(fā)展，給電液伺服閥的技術(shù)發(fā)展發(fā)展提供了新的途徑 。
折疊電子化、數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用

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電子化、數(shù)字化技術(shù)在電液伺服閥技術(shù)上的運(yùn)用主要有兩種方式：其一，在電液伺服閥模擬控制元器件上加入D/A轉(zhuǎn)換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)其數(shù)字控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可把控制元器件安裝在閥體內(nèi)部，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)控制閥的性能，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ?。但存在模擬電路容易產(chǎn)生零漂、溫漂，需加D/A 轉(zhuǎn)換接口等問(wèn)題。其二，為直動(dòng)式數(shù)字控制閥。通過(guò)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥芯，將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成電機(jī)的步進(jìn)信號(hào)來(lái)控制伺服閥的流量輸出。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度及位置開(kāi)環(huán)可控及可直接數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。但在實(shí)時(shí)性控制要求較高的場(chǎng)合，如按常規(guī)的步進(jìn)方法，無(wú)法兼顧量化精度及響應(yīng)速度的要求。浙江工業(yè)大學(xué)采用了連續(xù)跟蹤控制的辦法，消除了兩者之間的矛盾，獲得了良好的動(dòng)態(tài)特性。此外還有通過(guò)直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)閥芯來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制等多種控制方式或伺服閥結(jié)構(gòu)改變等方法來(lái)形成眾多的數(shù)字化伺服閥產(chǎn)品。
隨著各項(xiàng)技術(shù)水平的發(fā)展，通過(guò)采用新型的傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)研制出機(jī)械、電子、傳感器及計(jì)算機(jī)自我管理（故障診斷、故障排除）為一體的智能化新型伺服閥。該類伺服閥可按照系統(tǒng)的需要來(lái)確定控制目標(biāo)：速度、位置、加速度、力或壓力。同一臺(tái)伺服閥可以根據(jù)控制要求設(shè)置成流量控制伺服閥、壓力控制伺服閥或流量/ 壓力復(fù)合控制伺服閥。并且伺服閥的控制參數(shù)，如流量增益、流量增益特性、零點(diǎn)等都可以根據(jù)控制性能化原則進(jìn)行設(shè)置。伺服閥自身的診斷信息、關(guān)鍵控制參數(shù)（包括工作環(huán)境參數(shù)和伺服閥內(nèi)部參數(shù)）可以及時(shí)反饋給主控制器；可以遠(yuǎn)距離對(duì)伺服閥進(jìn)行監(jiān)控、診斷和遙控。在主機(jī)調(diào)試期間，可以通過(guò)總線端口下載或直接由上位機(jī)設(shè)置伺服閥的控制參數(shù)，使伺服閥與控制系統(tǒng)達(dá)到最佳匹配，優(yōu)化控制性能。而伺服閥控制參數(shù)的下載和更新，甚至在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能進(jìn)行。而在伺服閥與控制系統(tǒng)相匹配的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，嵌入式技術(shù)對(duì)于伺服閥已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。按照嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對(duì)像體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”?！扒度胄浴?、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素。它是在傳統(tǒng)的伺服閥中嵌入專用的微處理芯片和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，針對(duì)客戶的具體應(yīng)用要求而構(gòu)建成具有控制參數(shù)的伺服閥并由閥自身的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制任務(wù)（如各控制軸同步控制），再嵌入到整個(gè)的大液壓控制系統(tǒng)中去。從的技術(shù)發(fā)展和液壓控制系統(tǒng)對(duì)伺服閥的要求看，伺服閥的自診斷和自檢測(cè)功能應(yīng)該有更大的發(fā)展 。1）在結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，主要是利用冗余技術(shù)對(duì)伺服閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由于伺服閥是伺服系統(tǒng)的核心元件，伺服閥性能的優(yōu)劣直接代表著伺服系統(tǒng)的水平。另外，從可靠性角度分析，伺服閥的可靠性是伺服系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。由于伺服閥被污染是導(dǎo)致伺服閥失效的最主要原因。對(duì)此，國(guó)外的許多廠家對(duì)伺服閥結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，先后發(fā)展出了抗污染性較好的射流管式、偏導(dǎo)射流式伺服閥。而且，俄羅斯還在其研制的射流管式伺服閥閥芯兩端設(shè)計(jì)了雙冗余位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)閥芯位置。一旦出現(xiàn)故障信號(hào)可立即切換備用伺服閥，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，此種兩余度技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航空行業(yè)。而且，美國(guó)的Moog公司和俄羅斯的沃斯霍得工廠均已研制出四余度的伺服機(jī)構(gòu)用于航天行業(yè)。我國(guó)的航天系統(tǒng)有關(guān)單位早在90年代就已進(jìn)行三余度等多余度伺服機(jī)構(gòu)的研制，將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套，發(fā)生故障可隨時(shí)切換，保證系統(tǒng)的正常工作。此外多線圈結(jié)構(gòu)、或在結(jié)構(gòu)上帶零位保護(hù)裝置、外接式濾器等型式的伺服閥亦已在冶金、電力、塑料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
2）在加工工藝的改進(jìn)方面，采用新型的加工設(shè)備和工藝來(lái)提高伺服閥的加工精度及能力。如在閥芯閥套配磨方法上，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)均研制出了智能化、全自動(dòng)的配磨系統(tǒng)。特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的配磨系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的氣動(dòng)配磨的模式，采用液壓油作為測(cè)量介質(zhì)，更直接地反應(yīng)了所測(cè)滑閥副的實(shí)際情況，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度。在力矩馬達(dá)的焊接方面中船重工第704研究所與德國(guó)廠家合作，采用了先進(jìn)的焊接工藝取得了良好的效果。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還研制出智能化的伺服閥力矩馬達(dá)彈性元件測(cè)量裝置。解決了原有手動(dòng)測(cè)量法中存在的測(cè)量精度低、操作復(fù)雜、效率低等問(wèn)題。對(duì)彈性元件能高效完成剛度測(cè)量、得到完整的測(cè)量曲線，且不重復(fù)性測(cè)量誤差不大于1%。
3）在材料的更替上方面。除了對(duì)某些零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更的材料外。還對(duì)特別用途的伺服閥采用了特殊的材料。如德國(guó)有關(guān)公司用紅寶石材料制作噴嘴檔板，防止因氣饋造成檔板和噴嘴的損傷，而降低動(dòng)靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。機(jī)械反饋桿頭部的小球也用紅寶石制作，防止小球和閥芯小槽之間的磨損，使閥失控，并產(chǎn)生尖叫。航空六O九所、中船重工第七O四研究所等單位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油為介質(zhì)的耐腐蝕伺服閥。此外對(duì)密封圈的材料也進(jìn)行了更替，使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。
4）在測(cè)試方法改進(jìn)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展生產(chǎn)單位均采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)伺服閥的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。某些單位還對(duì)如何提高測(cè)量精度，降低測(cè)量?jī)x器本身的振動(dòng)、熱噪聲和外界的高頻干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，作了深入的研究。如采用測(cè)頻/測(cè)周法、尋優(yōu)信號(hào)測(cè)試法、小波消噪法、正弦輸入法及數(shù)字濾波等新技術(shù)對(duì)伺服閥測(cè)試設(shè)備及方法進(jìn)行了研制和改進(jìn) 。