液動閥門電液控制系統的分析與研究

2014-09-26 李明沈陽三三牌閥門制造有限責任公司

　　介紹了閥門電液控制系統的類型、功能特點、工作原理和選用方法，分析了液動閥門電液控制系統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、使用與維護的建議。

1、概述

　　電液控制技術對機械設備實現智能化起到十分重要的作用。機械、電子和液壓控制技術相結合，會使機械設備的控制更加靈活，方便與微型計算機或PLC 工控機等電子設備對接。真空技術網(http://smsksx.com/)認為電液控制技術也影響著液動閥門產品的技術水平。

2、液壓驅動方式

　　液動閥門的驅動方式有液壓油缸直接推拉式、液壓馬達驅動式、齒輪齒條擺動油缸驅動式和螺線式擺動油缸驅動式。

　　(1) 液壓油缸

　　將油缸置于閥門上方，閥桿與油缸活塞桿連接，活塞運動帶動閥桿上下運動，實現閥門開啟和關閉。液壓油缸直接推拉驅動裝置常用于閘閥、截止閥等閥門的驅動。

　　(2) 液壓馬達

　　將液壓馬達置于閥門上方，閥門閥桿與液壓馬達輸出軸中的螺母嚙合，液壓馬達旋轉驅動閥桿上下運動，實現閥門的啟閉。液壓馬達驅動裝置常用于大中口徑的閘閥、截止閥和節流閥等升降桿式閥門的驅動。

　　(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，油缸活塞桿運動，帶動齒條及嚙合在齒條上的齒輪產生旋轉，實現閥門的啟閉，齒輪齒條擺動式油缸驅動裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門的驅動。

　　(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構使油缸行程及推力轉換成擺角和轉矩、活塞上下運行使輸出軸產生旋轉，實現閥門的啟閉，螺線式擺動油缸驅動裝置常用于大中口徑蝶閥、球閥和旋塞閥等閥門的驅動。

3、電液控制系統

　　電液控制系統分為開關式控制系統、比例控制系統和伺服控制系統。

　　(1) 開關式控制系統

　　開關式控制系統的電控部分由開關和電磁鐵等元器件通過繼電器控制形式所組成，控制液壓系統中常規電磁換向閥的通、斷，以控制油缸、液壓馬達的前進( 正轉) 、后退( 反轉) 或停止。控制系統中添加壓力繼電器、行程開關和時間繼電器等元器件可實現對液壓系統的順序控制，驅動和控制液動閥門中的油缸、液壓馬達完成閥門開啟、停止和關閉所需的動作和時間。

　　(2) 比例控制系統

　　比例控制系統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上用比例電磁鐵取代液壓閥的手動調節機構和普通電磁鐵。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，即電子放大器根據輸入的電壓信號( 大小) ，輸出轉換成相應的電流信號( 如1mV = 1mA) 。電流信號送入比例電磁鐵，電磁鐵將根據電流大小轉換成位移或力，電信號的變化對應著力或位移的變化。用不斷輸入的電信號實現對比例液壓閥的連續控制，從而實現對液壓參數中壓力、流量和方向的無級調節及控制。此外，還能對相應的時間過程，例如在一段時間內對執行機構( 油缸、液壓馬達) 中的流量變化、加速度變化、減速度的變化等進行無級調節。輸入電信號方式有手調輸入式、程序輸入式和模擬輸入式。

　　(3) 伺服控制系統

　　伺服控制系統的自動控制領域是液壓伺服控制重要的組成部分，是生產設備的性能、機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、快速而準確的回輸反饋到系統的輸入端，并與給定值進行比較形成偏差信號，以施加產生對被控對象的控制作用，即連續不斷糾正偏差，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，此時，輸出功率被大幅度地放大，伺服控制系統一般按控制要求分為自動調節系統( 其輸入量為常值或隨時間緩慢變化，系

　　統的主要任務是在受到干擾時，使系統的實際輸出量保持或接近于期望值) 、程序控制系統( 其輸入量的變化規律是事先確定的，系統將自動地使輸出量盡可能準確地按事先給定的規律變化) 和伺服系統(其輸入量為任意的時間函數，系統應使輸出量以一定的精度跟隨輸入量的變化而變化，若系統的輸出量是位置或速度之類的機械量，工程中通常稱伺服控制系統) 。

4、工作原理

　　在大口徑流體管道中，蝶閥蝶板的角度θ 產生變化會起到調節流量qr的作用。蝶板轉動是由液壓缸帶動齒條和齒輪進行連續控制( 圖1) 。控制系統的輸入量是給定電位器的給定值xi。對應的xi有一定的電壓輸給放大器，放大器將電壓信號轉換為電流信號加到伺服閥的電磁線圈上，使伺服閥芯相應地產生一定的開口量xv。xv使液壓油進入油缸上腔，推動油缸向下移動。油缸下腔的油液則經伺服閥流回油箱。油缸的向下移動，使齒條和齒輪帶動蝶板產生偏轉。同時，油缸活塞桿也帶動流量傳感電位器的觸點下移xp。當xp所對應的電壓與給定值xi所對應的電壓相等時，兩電壓之差為0。這時，放大器的輸出電流亦為0，伺服閥關閉，油缸帶動的蝶板停在相應于管道流量為qr的位置( 圖2) 。

液動蝶閥控制管道流量的電液伺服系統

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

　　在液動閥門電液控制系統中常用比例控制系統或伺服控制系統對閥門流量進行精確控制，如燃油流量調節、冷卻水流量調節和風門流量調節等。由于該項技術控制精度高，可靠性高、自動化程度高和電液控制系統的技術含量高，使得設備的價格也高。

5、選用

　　選取液控閥門適宜的電液控制系統需掌握閥門特性、工況條件及對控制系統的要求。

　　5.1、閥門特性

　　(1) 閥門的用途及工作目的。

液動蝶閥伺服系統實例

圖2 液動蝶閥伺服系統實例

　　(2) 功能、性能及負載特性( 恒定負載、變化負載及沖擊負載) 、負載大小( 閥門操作力矩特性曲線及閥門力矩等) 、運動方式( 擺動、旋轉運動、直線運動) 、運動量( 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、重復精度、響應精度) 等。

　　(3) 閥門液壓驅動裝置、電液控制系統之間連接條件，安裝上的限制條件等。

　　(4) 電源種類及參數。如電流( 交流、直流) 、電流容量、電壓和穩定性( 是否有備用電源) 等。

　　(5) 控制操作方式( 手動、聯動、自動、近距離或遠距離) 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算機) 。

　　(6) 循環時間( 管路系統中各液動閥門的動作時間、動作順序及相互關系) 。

　　5.2、使用條件

　　(1) 工作時間( 工作制) 。

　　(2) 安裝使用場所( 室內、室外) 。

　　(3) 使用環境、環境溫度、濕度( 高溫、寒帶、熱帶) 、粉塵種類和濃度( 防護、凈化等) ，腐蝕性氣體(所用元件的材質，表面處理噴涂等) 、易燃易爆氣體( 防護措施) 、防振動要求和噪聲限制。

　　(4) 安全性可靠性要求。

　　(5) 適用標準和法規。