液動閥門電液控制系統(tǒng)的分析與研究
介紹了閥門電液控制系統(tǒng)的類型、功能特點(diǎn)、工作原理和選用方法，分析了液動閥門電液控制系統(tǒng)自動化智能化控制的工況條件的閥門特性要求，提出了電液控制裝置的選用、使用與維護(hù)的建議。
1、概述
電液控制技術(shù)對機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化起到十分重要的作用。機(jī)械、電子和液壓控制技術(shù)相結(jié)合，會使機(jī)械設(shè)備的控制更加靈活，方便與微型計(jì)算機(jī)或PLC 工控機(jī)等電子設(shè)備對接。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)認(rèn)為電液控制技術(shù)也影響著液動閥門產(chǎn)品的技術(shù)水平。
2、液壓驅(qū)動方式
液動閥門的驅(qū)動方式有液壓油缸直接推拉式、液壓馬達(dá)驅(qū)動式、齒輪齒條擺動油缸驅(qū)動式和螺線式擺動油缸驅(qū)動式。
(1) 液壓油缸
將油缸置于閥門上方，閥桿與油缸活塞桿連接，活塞運(yùn)動帶動閥桿上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門開啟和關(guān)閉。液壓油缸直接推拉驅(qū)動裝置常用于閘閥、截止閥等閥門的驅(qū)動。
(2) 液壓馬達(dá)
將液壓馬達(dá)置于閥門上方，閥門閥桿與液壓馬達(dá)輸出軸中的螺母嚙合，液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動閥桿上下運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。液壓馬達(dá)驅(qū)動裝置常用于大中口徑的閘閥、截止閥和節(jié)流閥等升降桿式閥門的驅(qū)動。
(3) 齒輪齒條擺動式油缸
將擺動式油缸置于閥門上方，閥門閥桿插入并固定在擺動式油缸齒輪軸孔中，油缸活塞桿運(yùn)動，帶動齒條及嚙合在齒條上的齒輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉，齒輪齒條擺動式油缸驅(qū)動裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門的驅(qū)動。
(4) 螺線式擺動油缸
將螺線式擺動油缸置于閥門上方，將閥桿插入并固定在油缸輸出軸孔中，油缸活塞中的推力通過大角度螺旋線結(jié)構(gòu)使油缸行程及推力轉(zhuǎn)換成擺角和轉(zhuǎn)矩、活塞上下運(yùn)行使輸出軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉，螺線式擺動油缸驅(qū)動裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門的驅(qū)動。
3、電液控制系統(tǒng)
電液控制系統(tǒng)分為開關(guān)式控制系統(tǒng)、比例控制系統(tǒng)和伺服控制系統(tǒng)。
(1) 開關(guān)式控制系統(tǒng)
開關(guān)式控制系統(tǒng)的電控部分由開關(guān)和電磁鐵等元器件通過繼電器控制形式所組成，控制液壓系統(tǒng)中常規(guī)電磁換向閥的通、斷，以控制油缸、液壓馬達(dá)的前進(jìn)( 正轉(zhuǎn)) 、后退( 反轉(zhuǎn)) 或停止�？刂葡到y(tǒng)中添加壓力繼電器、行程開關(guān)和時間繼電器等元器件可實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的順序控制，驅(qū)動和控制液動閥門中的油缸、液壓馬達(dá)完成閥門開啟、停止和關(guān)閉所需的動作和時間。
(2) 比例控制系統(tǒng)
比例控制系統(tǒng)的電液比例控制核心是比例閥。比例閥是在普通液壓閥基礎(chǔ)上用比例電磁鐵取代液壓閥的手動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和普通電磁鐵。采用微電子信號給比例放大器，控制信號放大后給比例電磁鐵，即電子放大器根據(jù)輸入的電壓信號( 大小) ，輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號( 如1mV = 1mA) 。電流信號送入比例電磁鐵，電磁鐵將根據(jù)電流大小轉(zhuǎn)換成位移或力，電信號的變化對應(yīng)著力或位移的變化。用不斷輸入的電信號實(shí)現(xiàn)對比例液壓閥的連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對液壓參數(shù)中壓力、流量和方向的無級調(diào)節(jié)及控制。此外，還能對相應(yīng)的時間過程，例如在一段時間內(nèi)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 油缸、液壓馬達(dá)) 中的流量變化、加速度變化、減速度的變化等進(jìn)行無級調(diào)節(jié)。輸入電信號方式有手調(diào)輸入式、程序輸入式和模擬輸入式。
(3) 伺服控制系統(tǒng)
伺服控制系統(tǒng)的自動控制領(lǐng)域是液壓伺服控制重要的組成部分，是生產(chǎn)設(shè)備的性能、機(jī)械化和自動化的水平不斷提高的必要條件之一。液壓伺服系統(tǒng)是利用反饋控制的基本原理將被控制對象的輸出量(如位移，速度或力等) 自動、快速而準(zhǔn)確的回輸反饋到系統(tǒng)的輸入端，并與給定值進(jìn)行比較形成偏差信號，以施加產(chǎn)生對被控對象的控制作用，即連續(xù)不斷糾正偏差，使被控制對象的輸出量與反饋給定值之差保持在容許的范圍之內(nèi)，此時，輸出功率被大幅度地放大，伺服控制系統(tǒng)一般按控制要求分為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)( 其輸入量為常值或隨時間緩慢變化，系
統(tǒng)的主要任務(wù)是在受到干擾時，使系統(tǒng)的實(shí)際輸出量保持或接近于期望值) 、程序控制系統(tǒng)( 其輸入量的變化規(guī)律是事先確定的，系統(tǒng)將自動地使輸出量盡可能準(zhǔn)確地按事先給定的規(guī)律變化) 和伺服系統(tǒng)(其輸入量為任意的時間函數(shù)，系統(tǒng)應(yīng)使輸出量以一定的精度跟隨輸入量的變化而變化，若系統(tǒng)的輸出量是位置或速度之類的機(jī)械量，工程中通常稱伺服控制系統(tǒng)) 。
4、工作原理
在大口徑流體管道中，蝶閥蝶板的角度θ 產(chǎn)生變化會起到調(diào)節(jié)流量qr的作用。蝶板轉(zhuǎn)動是由液壓缸帶動齒條和齒輪進(jìn)行連續(xù)控制( 圖1) �？刂葡到y(tǒng)的輸入量是給定電位器的給定值xi。對應(yīng)的xi有一定的電壓輸給放大器，放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號加到伺服閥的電磁線圈上，使伺服閥芯相應(yīng)地產(chǎn)生一定的開口量xv。xv使液壓油進(jìn)入油缸上腔，推動油缸向下移動。油缸下腔的油液則經(jīng)伺服閥流回油箱。油缸的向下移動，使齒條和齒輪帶動蝶板產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。同時，油缸活塞桿也帶動流量傳感電位器的觸點(diǎn)下移xp。當(dāng)xp所對應(yīng)的電壓與給定值xi所對應(yīng)的電壓相等時，兩電壓之差為0。這時，放大器的輸出電流亦為0，伺服閥關(guān)閉，油缸帶動的蝶板停在相應(yīng)于管道流量為qr的位置( 圖2) 。
1. 管道 2. 蝶板 3. 齒輪和齒條 4. 液壓缸 5. 流量傳感電位器 6. 給定電位器 7. 電液伺服閥 8. 放大器
圖1 液動蝶閥控制管道流量的電液伺服系統(tǒng)
在液動閥門電液控制系統(tǒng)中常用比例控制系統(tǒng)或伺服控制系統(tǒng)對閥門流量進(jìn)行精確控制，如燃油流量調(diào)節(jié)、冷卻水流量調(diào)節(jié)和風(fēng)門流量調(diào)節(jié)等。由于該項(xiàng)技術(shù)控制精度高，可靠性高、自動化程度高和電液控制系統(tǒng)的技術(shù)含量高，使得設(shè)備的價(jià)格也高。
5、選用
選取液控閥門適宜的電液控制系統(tǒng)需掌握閥門特性、工況條件及對控制系統(tǒng)的要求。
5.1、閥門特性
(1) 閥門的用途及工作目的。
圖2 液動蝶閥伺服系統(tǒng)實(shí)例
(2) 功能、性能及負(fù)載特性( 恒定負(fù)載、變化負(fù)載及沖擊負(fù)載) 、負(fù)載大小( 閥門操作力矩特性曲線及閥門力矩等) 、運(yùn)動方式( 擺動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動) 、運(yùn)動量( 位移、速度、角度、角速度、加速度) 、慣性力、摩擦力( 靜摩擦力、動摩擦力、粘性摩擦力) 、動作時間、動作特性及控制精度( 定位精度、重復(fù)精度、響應(yīng)精度) 等。
(3) 閥門液壓驅(qū)動裝置、電液控制系統(tǒng)之間連接條件，安裝上的限制條件等。
(4) 電源種類及參數(shù)。如電流( 交流、直流) 、電流容量、電壓和穩(wěn)定性( 是否有備用電源) 等。
(5) 控制操作方式( 手動、聯(lián)動、自動、近距離或遠(yuǎn)距離) 和信號處理方式( 繼電器、邏輯電路、PLC可編程控制器或微型計(jì)算機(jī)) 。
(6) 循環(huán)時間( 管路系統(tǒng)中各液動閥門的動作時間、動作順序及相互關(guān)系) 。
5.2、使用條件
(1) 工作時間( 工作制) 。
(2) 安裝使用場所( 室內(nèi)、室外) 。
(3) 使用環(huán)境、環(huán)境溫度、濕度( 高溫、寒帶、熱帶) 、粉塵種類和濃度( 防護(hù)、凈化等) ，腐蝕性氣體(所用元件的材質(zhì)，表面處理噴涂等) 、易燃易爆氣體( 防護(hù)措施) 、防振動要求和噪聲限制。
(4) 安全性可靠性要求。
(5) 適用標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。
6、建議
(1) 明確液動閥門的特性，使用條件，安全性和可靠性要求及其它特殊要求。
(2) 對電液控制設(shè)計(jì)方案進(jìn)行交流完善。
(3) 對設(shè)備的布置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行明確。
(4) 液控閥門是機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，每部分專業(yè)性都很強(qiáng)，為保證產(chǎn)品質(zhì)量建議該產(chǎn)品應(yīng)由電液控制系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)制造商統(tǒng)一集成提供、產(chǎn)品中所采用的閥門信息應(yīng)標(biāo)注清晰。
(5) 出廠驗(yàn)收大綱中的實(shí)驗(yàn)方法及驗(yàn)收內(nèi)容要明確。
(6) 供方需提供現(xiàn)場電液控制系統(tǒng)的指導(dǎo)安裝調(diào)試服務(wù)。
(7) 培訓(xùn)操作維修人員。
(8) 現(xiàn)場雙方驗(yàn)收確認(rèn)。
(9) 備品備件的準(zhǔn)備。
(10) 設(shè)備投入運(yùn)行。
7、結(jié)語
機(jī)、電、液一體化技術(shù)在閥門上的應(yīng)用是科技現(xiàn)代化發(fā)展的需要，可以擴(kuò)大閥門的使用功能，提高管道系統(tǒng)及裝備的的自動化及智能化水平，使系統(tǒng)運(yùn)行更安全、更可靠。
