液動(dòng)閥門(mén)電液控制系統(tǒng)的分析與研究
介紹了閥門(mén)電液控制系統(tǒng)的類(lèi)型、功能特點(diǎn)、工作原理和選用方法，分析了液動(dòng)閥門(mén)電液控制系統(tǒng)自動(dòng)化智能化控制的工況條件的閥門(mén)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(duì)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(huì)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(duì)接。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為電液控制技術(shù)也影響著液動(dòng)閥門(mén)產(chǎn)品的技術(shù)水平。
2、液壓驅(qū)動(dòng)方式
液動(dòng)閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)方式有液壓油缸直接推拉式、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)式、齒輪齒條擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)式和螺線(xiàn)式擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)式。
(1) 液壓油缸
將油缸置于閥門(mén)上方，閥桿與油缸活塞桿連接，活塞運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)閥桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉。液壓油缸直接推拉驅(qū)動(dòng)裝置常用于閘閥、截止閥等閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)。
(2) 液壓馬達(dá)
將液壓馬達(dá)置于閥門(mén)上方，閥門(mén)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(dòng)閥桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(mén)的驅(qū)動(dòng)。
(3) 齒輪齒條擺動(dòng)式油缸
將擺動(dòng)式油缸置于閥門(mén)上方，閥門(mén)閥桿插入并固定在擺動(dòng)式油缸齒輪軸孔中，油缸活塞桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條及嚙合在齒條上的齒輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的啟閉，齒輪齒條擺動(dòng)式油缸驅(qū)動(dòng)裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)。
(4) 螺線(xiàn)式擺動(dòng)油缸
將螺線(xiàn)式擺動(dòng)油缸置于閥門(mén)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(guò)大角度螺旋線(xiàn)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(mén)的啟閉，螺線(xiàn)式擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)。
3、電液控制系統(tǒng)
電液控制系統(tǒng)分為開(kāi)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(kāi)關(guān)式控制系統(tǒng)
開(kāi)關(guān)式控制系統(tǒng)的電控部分由開(kāi)關(guān)和電磁鐵等元器件通過(guò)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(kāi)關(guān)和時(shí)間繼電器等元器件可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的順序控制，驅(qū)動(dòng)和控制液動(dòng)閥門(mén)中的油缸、液壓馬達(dá)完成閥門(mén)開(kāi)啟、停止和關(guān)閉所需的動(dòng)作和時(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和普通電磁鐵。采用微電子信號(hào)給比例放大器，控制信號(hào)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(hào)( 大小) ，輸出轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)( 如1mV = 1mA) 。電流信號(hào)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(hào)的變化對(duì)應(yīng)著力或位移的變化。用不斷輸入的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)比例液壓閥的連續(xù)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓參數(shù)中壓力、流量和方向的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)及控制。此外，還能對(duì)相應(yīng)的時(shí)間過(guò)程，例如在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)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(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。輸入電信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(duì)象的輸出量(如位移，速度或力等) 自動(dòng)、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(hào)，以施加產(chǎn)生對(duì)被控對(duì)象的控制作用，即連續(xù)不斷糾正偏差，使被控制對(duì)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(shí)，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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)( 其輸入量為常值或隨時(shí)間緩慢變化，系
統(tǒng)的主要任務(wù)是在受到干擾時(shí)，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(dòng)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(shí)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(lèi)的機(jī)械量，工程中通常稱(chēng)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(huì)起到調(diào)節(jié)流量qr的作用。蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)是由液壓缸帶動(dòng)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(duì)應(yīng)的xi有一定的電壓輸給放大器，放大器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)加到伺服閥的電磁線(xiàn)圈上，使伺服閥芯相應(yīng)地產(chǎn)生一定的開(kāi)口量xv。xv使液壓油進(jìn)入油缸上腔，推動(dòng)油缸向下移動(dòng)。油缸下腔的油液則經(jīng)伺服閥流回油箱。油缸的向下移動(dòng)，使齒條和齒輪帶動(dòng)蝶板產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，油缸活塞桿也帶動(dòng)流量傳感電位器的觸點(diǎn)下移xp。當(dāng)xp所對(duì)應(yīng)的電壓與給定值xi所對(duì)應(yīng)的電壓相等時(shí)，兩電壓之差為0。這時(shí)，放大器的輸出電流亦為0，伺服閥關(guān)閉，油缸帶動(dòng)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(dòng)蝶閥控制管道流量的電液伺服系統(tǒng)
在液動(dòng)閥門(mén)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(duì)閥門(mén)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(mén)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(dòng)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(mén)適宜的電液控制系統(tǒng)需掌握閥門(mén)特性、工況條件及對(duì)控制系統(tǒng)的要求。
5.1、閥門(mén)特性
(1) 閥門(mén)的用途及工作目的。
圖2 液動(dòng)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(mén)操作力矩特性曲線(xiàn)及閥門(mén)力矩等) 、運(yùn)動(dòng)方式( 擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)) 、運(yùn)動(dòng)量( 位移、速度、角度、角速度、加速度) 、慣性力、摩擦力( 靜摩擦力、動(dòng)摩擦力、粘性摩擦力) 、動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)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(mén)液壓驅(qū)動(dòng)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(lèi)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(dòng)、聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)、近距離或遠(yuǎn)距離) 和信號(hào)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(shí)間( 管路系統(tǒng)中各液動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作順序及相互關(guān)系) 。
5.2、使用條件
(1) 工作時(shí)間( 工作制) 。
(2) 安裝使用場(chǎng)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(lèi)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(dòng)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(dòng)閥門(mén)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(duì)電液控制設(shè)計(jì)方案進(jìn)行交流完善。
(3) 對(duì)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(mén)是機(jī)、電、液一體化產(chǎn)品，每部分專(zhuān)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(zhuān)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(mén)信息應(yīng)標(biāo)注清晰。
(5) 出廠(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(yǔ)
機(jī)、電、液一體化技術(shù)在閥門(mén)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(mén)的使用功能，提高管道系統(tǒng)及裝備的的自動(dòng)化及智能化水平，使系統(tǒng)運(yùn)行更安全、更可靠。
