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衡拓液压 | 射流管伺服阀同偏导射流伺服阀的对比研究
2019-1-8 10:35 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1520
【中国泵阀第一网 行业论文】射流管伺服阀同偏导射流伺服阀的对比研究黄增,金瑶兰,章敏莹(上海衡拓液压控制技术有限公司)摘      要: 本文简单介绍了射流管电液伺服阀、偏导射流电液伺服阀的工作原理,分析其异同点,重点从抗污染能力、力矩马达的结构形式、射流放大器的流场和加工制造、反馈杆的夹持方式、弹簧管的应力分析、技术成熟度等方面进行了对比研究。偏导射流阀


射流管伺服阀同偏导射流伺服阀的对比研究

黄增,金瑶兰,章敏莹

(上海衡拓液压控制技术有限公司)

摘 要: 本文简单介绍了射流管电液伺服阀、偏导射流电液伺服阀的工作原理,分析其异同点,重点从抗污染能力、力矩马达的结构形式、射流放大器的流场和加工制造、反馈杆的夹持方式、弹簧管的应力分析、技术成熟度等方面进行了对比研究。偏导射流阀一定程度上降低了制造难度,但牺牲了一些伺服阀的可靠性。相比而言,射流管伺服阀技术成熟度高、可靠性好,目前仍然是国内的主流产品。

关 键 词:射流管;偏导射流;伺服阀;力矩马达

中图分类号:V

文献标识码:A

Comparative Study on Jet-pipe Servovalve and Deflector-jet Servovalve

Huang Zeng, Jin Yaolan, Zhang Minying

(Shanghai Hunter Hydraulic Control Technology Co., Ltd.)

Abstract:First, the principles of jet-pipe electro-hydraulic servovalve and deflector servovalve are introduced, as result the differences between their principles have been concluded. Then the comparing discussion and research focus on the ability of contamination resistance, the structure of torque motor, the manufacture of the jet amplifier, the clamping of feedback rod, the stress analysis of bourdon tube and the technical maturity. As conclusion the deflector-jet servovalve is easier to be manufactured meanwhile the reliability of the valve has been decreased. On the other hand, the jet-pipe servovalve has high technical maturity and better reliability. So the jet-pipe electro-hydraulic servovalve is still the mainstream product.

Keywords: jet-pipe, deflector-jet, servovalve, torque motor

随着射流管伺服阀在国内的大量使用,用户对射流管伺服阀的优良性能和高可靠性表示了认可。最近国内相关伺服阀厂家又推出了偏导射流伺服阀,并宣传偏导射流伺服阀优于射流管电液伺服阀,对客户造成了观念上的混淆。作为国内唯一可以批量生产射流管电液伺服阀的专业厂家,面对客户疑问对两种射流形式的电液伺服阀进行了研究、分析和对比,并形成了相关成果。

01

国内外研究现状

国外生产电液伺服阀的厂家主要有美国Moog公司、Parker公司、Honeywell公司、Rexroth公司、英国Dowty公司等。其中射流管电液伺服阀应用较多的为Moog公司的D660系列、Parker公司和Honeywell公司。偏导射流电液伺服阀应用较多的主要为Moog公司的Model D026系列和Parker公司的BD15系列伺服阀。

国内生产电液伺服阀的厂家主要有南京机电液压(609所)、中船重工第704研究所、航空工业总公司第六一八研究所(618所)、秦峰公司(173厂)、航天18所等。 批量生产射流管式伺服阀的仅有704所一家,618所也有少量生产。国内公开能生产偏导射流式伺服阀的厂家有609所、618所。

02

两种射流阀的工作原理

2.1 射流管式电液伺服阀的工作原理

射流管式电液伺服阀的工作原理如图1所示,通过与力矩马达中的射流管、喷嘴、接受器结构,形成射流管式液压放大器。当马达线圈输入控制电流,在衔铁上产生一个力矩,促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件片装一个正比于力矩的角度,经过喷嘴高速射流的偏转,使得接受器一腔压力升高一腔降低,压差驱动阀芯运动直到反馈弹簧组件产生的力矩与马达力矩相平衡,使喷嘴又回到两接受器的中间位置。这样阀的输出流量正比于控制电流。

1-力矩马达 2-反馈弹簧组件 3-射流管

4-喷嘴 5-接受孔 6-阀芯

图1 射流管式电液伺服阀的工作原理

2.2 偏导射流式电液伺服阀的工作原理

如图2所示,偏导射流伺服阀的主要原理是通过与马达相连接的偏导板控制射流盘上左右接收孔的压力,形成偏导射流式液压放大器。当控制电流为零时,偏导板在左右接收孔中位,左右接受孔压力(通阀芯两端)相等;当输入控制电流后,偏导板随马达衔铁向左或向右运动,造成左右接收孔两端压力变化,压差驱动阀芯运动直到反馈弹簧组件产生的力矩与马达力矩相平衡。这样阀的输出流量正比于控制电流。

03

两种射流式电液伺服阀的共同点

通过上述分析,可以看到两种伺服阀的基本原理是一样的,都是通过射流式液压放大器的作用形成对阀芯的驱动。主要不同处是射流管伺服阀通过喷嘴、接受器实现,而偏导射流伺服阀通过射流盘、偏导板实现。

1-上导磁体 2-衔铁 3-下导磁体

4-偏导板5-射流盘 6-反馈杆

7-阀芯 8-接受孔 9-回油腔 10-射流口

图2 偏导射流式电液伺服阀的工作原理

两种阀的抗污染能力都优于喷嘴挡板式电液伺服阀。喷挡阀内部的最小控制节流尺寸在喷嘴和挡板的间隙处约为0.035mm;偏导伺服阀的最小控制节流尺寸约为0.14mmX0.2mm的方形孔;射流管伺服阀的最小尺寸为喷嘴处直径0.22mm的圆孔,相比较而言射流管伺服阀的抗污染能力最为突出。另外根据国内外的资料显示,射流管伺服阀与偏导射流伺服阀的动态基本相当。

04

两种射流式电液伺服阀差异分析

4.1 力矩马达

射流管伺服阀的力矩马达结构见图3-1所示,力矩马达采用整体焊接—压配的结构形式。为实现喷嘴供油,马达中间设计了射流管,射流管的引流、焊接和装配造成射流管伺服阀力矩马达加工、制造的复杂性;射流管阀在衔铁两端设计了支撑簧片结构,为静不定结构,改善了力矩马达的核心弹性元件—弹簧管的受力状态,马达整体抗冲击振动能力强,提高了可靠性[1]。这一点非常重要,后面会进一步讨论。

偏导射流伺服阀力矩马达结构见图3-2所示,该结构设计的出发点就是为了避开射流管阀的射流管喷嘴结构,因此直接选用了喷嘴挡板阀的力矩马达结构形式,衔铁弹簧管为悬臂梁结构,整个马达采用四个螺钉装配,这样降低了制造和装配难度,但也继承了喷嘴挡板阀力矩马达的不足之处,即抗振动冲击能力相对较弱。

3-1射流阀 3-2 偏导阀

图3 力矩马达—衔铁弹簧管组件

4.2 射流管式液压放大器

在射流管式液压放大器结构上射流管伺服阀采用了喷嘴、接受器结构,其射流孔及接受孔均为圆形,液压放大器液流形态为层流状态,粘性流体作层流运动时,流体微团间无宏观的相互掺混,其参数无不规则脉动,流动有条不紊,层次分明,摩擦阻力相对紊流而言较小。偏导射流伺服阀采用射流盘、偏导板结构,由于其射流盘的内部控制小孔均为异形孔,液压放大器液流形态为紊流状态,流体微团间相互掺混作无序的流动,其流速、压力等力学参数发生不规则脉动,剧增了摩擦阻力。偏导板结构造成的液流紊流状态会使零位特性恶化,还会产生零位啸叫和高压特性恶化等问题[2]。

此外,射流管阀的射流放大器由喷嘴和接受器组成,射流喷嘴的内部控制小孔为圆形,加工难度较高,加工完毕后可以进行适量的修正,具有较好的批生产性。偏导射流阀的射流放大器由射流盘和偏转板组成,内部控制小孔为方形,依靠电火花、慢走丝线切割精密加工,一次加工完毕后很难再次修整,一般通过筛选来保证。

4.3反馈杆的夹持方式

射流管阀采用夹紧螺钉夹紧反馈杆的结构形式(见图4),反馈杆和阀芯之间不会产生游隙,机构工作稳定、可靠较高[3,4]。偏导射流阀采用反馈杆头部小球和阀芯的中槽啮合形式(见图5),长时间工作后,小球容易出现磨损,造成小球与阀芯中槽间出现游隙,在零位附件容易出现突跳,磨损到一定程度后,阀可能出现极限环振荡。另外,偏导口开在反馈杆上,因此往往适用于小流量的电液伺服阀[5,6]。

4.4弹簧管的应力分析

利用ANSYS软件对射流管阀与偏导阀衔铁弹簧管组件进行有限元建模,利用模态分析模块

图4 射流管阀反馈杆夹持方式

图5 偏导阀反馈夹持方式

Modal计算其固有频率和振型,表1列出了前5阶固有频率计算结果,对比可知射流管阀衔铁弹簧管组件的模态频率较高。根据4.1条对力矩马达的分析,射流管伺服阀的衔铁弹簧管组件在衔铁两侧安装有支撑簧片,弹簧管为静不定结构;偏导射流阀的衔铁弹簧管组件为悬臂梁结构,主要受力差别在与衔铁水平垂直的方向,因此选取该方向进行振动应力对比分析。按GJB150A对两种结构衔铁弹簧管组件输入同一功能振动图谱。根据计算结果,偏导射流阀弹簧管的von Mises均方根应力云图如图6-1所示,弹簧管最大应力为258MPa;射流管伺服阀弹簧管的von Mises均方根应力云图如图6-2所示,弹簧管最大应力为47MPa。由此可知,偏导射流阀弹簧管受力状况较射流管伺服阀弹簧管更为严酷。

图6-1 偏导阀

图6-2 射流管阀

图6 弹簧管应力对比图

此外,国外相关资料及验证表明,射流管式电液伺服阀的可以经受100g,频率3000Hz的振动。上海衡拓液压控制技术有限公司研制的射流管式电液伺服阀也进行并通过了该项试验验证。

4.5技术成熟度对比

按GJB7688《装备技术成熟度等级划分及定义》,技术成熟度分为9级(表2)。根据产品研制和军用装备应用情况,从技术成熟度上分析,国内射流管式伺服阀能达到8级,偏导射流阀则达到6级。射流管伺服阀的技术成熟度更高。

05

结论

两种射流形式的电液伺服阀,作为液压阀中塔尖上的明珠,是国内的高端精密液压基础元器件,其抗污染能力均优于喷嘴挡板阀。通过对比分析,偏导射流电液伺服阀在加工制造和装配方面优于射流管式电液伺服阀,但在力矩马达结构的可靠性、射流放大器的射流稳定性、反馈杆的夹持方式、弹簧管的应力情况和技术成熟度等方面与射流管式电液伺服阀仍存一定的差异和差距,温漂及压漂较大问题,还需下较大的功夫去解决,而目前的主要办法是通过筛选方式来解决,批量生产受到一定局限。

偏导射流式电液伺服阀,在降低加工难度的同时,也牺牲了一些伺服阀的可靠性。而射流管式伺服阀力矩马达采用静不定结构形式,抗振动冲击等恶劣工况的能力强,可靠性更好,技术成熟度高,目前仍然是国内的主流产品。

参考文献(References)

[1]原佳阳,訚耀保等. 旋转直接驱动电液压力伺服阀稳定性分析. 同济大学学报(自然科学版)

[2]郭庆,. 电液伺服非线性控制技术研究进展综述. 液压与气动. P1-9,Vol03,2018

[3]邢晓文, 吴凛等,偏转板伺服阀射流放大器结构参数优化研究. 液压与气动.P 16-21,Vol03 2018

[4]方向, 原佳阳等, 电反馈式伺服阀控制参数半物理整定方法. 压气动与密封. P68-71 Vol02 2018

[5]王书铭, 蔡存坤. 电液伺服阀阀芯粘性阻尼系数辨识方法研究.航天控制 P92-97, Vol01 2018

[6]陈博,延皓等. 三余度伺服阀前置级不一致性影响研究. 京交通大学学报. P120-126, Vol01 2018

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