引言
液壓傳動(dòng)具有功率密度比大、輸出力大、易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)液壓以及工程機(jī)械等領(lǐng)域。從1648年法國人帕斯卡(B.Pascal)提出靜止液體壓力傳遞的基本定律開始，至今已發(fā)展近四個(gè)世紀(jì)。20世紀(jì)，控制理論與工程實(shí)踐的飛速發(fā)展，為電液控制工程的進(jìn)步提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，微處理器、電子功率放大器、傳感器與液壓控制單元的相互集成，形成了機(jī)械-電子-液壓一體化產(chǎn)品，不但提高了系統(tǒng)的靜態(tài)動(dòng)態(tài)控制精度，而且提升了系統(tǒng)智能化程度及可靠性和魯棒性，提高了系統(tǒng)對負(fù)載、環(huán)境以及自身變化的自適應(yīng)能力 。進(jìn)入21世紀(jì)，人力與能源成本的提高，對工業(yè)生產(chǎn)、制造與加工的現(xiàn)代化和智能化要求越來越高。然而，液壓元件的成本遠(yuǎn)高于機(jī)械傳動(dòng)元件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓傳動(dòng)元件成本高達(dá)40~80英鎊/千克，而機(jī)械傳動(dòng)元件的平均成本只有15英鎊/千克 。現(xiàn)有液壓元件另一個(gè)致命的弱點(diǎn)是效率低下。雖然一些液壓泵和液壓馬達(dá)可以達(dá)到97%以上的效率，但是在負(fù)載端的利用效率卻不高，大量的能量以節(jié)流或者溢流的方式消耗掉。在挖機(jī)系統(tǒng)中，甚至80%的能量耗散是在液壓系統(tǒng)中。殘酷的市場競爭與現(xiàn)實(shí)需求表明，液壓傳動(dòng)如果想要生存下去，必須開發(fā)與推廣更高效、更低成本的液壓元件與液壓系統(tǒng)。因此，在工業(yè)與研究領(lǐng)域，科研人員提出電液流量匹配系統(tǒng)、負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)、二次調(diào)節(jié)系統(tǒng)、混合動(dòng)力系統(tǒng)、液壓變壓器和新型的液壓泵與液壓閥等新研究方向。
作為液壓系統(tǒng)中最重要的控制元件，液壓閥負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，是最敏感的元件，往往也是最貴的液壓元件 。數(shù)值計(jì)算仿真、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析、線性或非線性建模等技術(shù)的應(yīng)用使得液壓閥的設(shè)計(jì)方法與制造技術(shù)獲得很大進(jìn)步。數(shù)字閥的出現(xiàn)是液壓閥技術(shù)發(fā)展的最典型代表，其極大的提高了控制的靈活性，直接與計(jì)算機(jī)接口，無需D/A轉(zhuǎn)換元件，機(jī)械加工相對容易，成本低、功耗小，且對油液不敏感。
目前，對于數(shù)字液壓的定義國內(nèi)外比較主流的觀點(diǎn)有如下幾種。坦佩雷理工大學(xué)(Tampere University of Technology)的Matti Linjiama多年致力于數(shù)字液壓元件的研究，他認(rèn)為“Digital fluid power means hydraulic and pneumatic systems having discrete valued component(s)actively controlling system output”。國內(nèi)學(xué)者從上世紀(jì)80年代開始研究數(shù)字液壓元件和系統(tǒng)，一些研究人員認(rèn)為，數(shù)字液壓技術(shù)是將液壓終端執(zhí)行元件直接數(shù)字化，通過接受數(shù)字控制器發(fā)出的脈沖信號和計(jì)算機(jī)發(fā)出的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)可靠工作的液壓技術(shù)，將控制還回給電，而數(shù)字化的功率放大留給液壓。從以上的主流觀點(diǎn)可以將數(shù)字閥歸結(jié)為狹義的數(shù)字閥(坦佩雷理工大學(xué)的觀點(diǎn))與廣義的數(shù)字閥。據(jù)此，液壓元件具有流量離散化(Fluid flow discretization)或控制信號離散化(Control signal discretization)特征的液壓元件，稱為數(shù)字液壓元件(Digital hydraulic component)，具有數(shù)字液壓元件特征的液壓系統(tǒng)稱為數(shù)字液壓系統(tǒng)(Digital hydraulic system)。
一、數(shù)字液壓閥研究現(xiàn)狀與發(fā)展：
如圖1所示為現(xiàn)有數(shù)字閥產(chǎn)品及分類。從現(xiàn)有的液壓閥元件來看，狹義的數(shù)字閥特指由數(shù)字信號控制的開關(guān)閥及由開關(guān)集成的閥島元件。廣義的數(shù)字閥則包含由數(shù)字信號或者數(shù)字先導(dǎo)控制的具有參數(shù)反饋和參數(shù)控制功能的液壓閥。
圖1 數(shù)字液壓閥分類Fig.1 Digital hydraulic valves
從數(shù)字液壓閥的發(fā)展歷程可以將數(shù)字閥的研究分為兩個(gè)方向：增量式數(shù)字閥與高速開關(guān)式數(shù)字閥。增量式數(shù)字閥將步進(jìn)電機(jī)與液壓閥相結(jié)合，脈沖信號通過驅(qū)動(dòng)器使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)輸出與脈沖數(shù)成正比的步距角，再轉(zhuǎn)換成液壓閥閥芯的位移。上世紀(jì)末是增量式數(shù)字閥發(fā)展的黃金時(shí)期，以日本東京計(jì)器公司生產(chǎn)的數(shù)字調(diào)速閥為代表，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)與工業(yè)界都相繼推出了增量式數(shù)字閥產(chǎn)品。然而，受制于步進(jìn)電機(jī)低頻、失步的局限性，增量式數(shù)字閥并非目前研究的熱點(diǎn)。
高速開關(guān)式數(shù)字閥一直在全開或者全閉的工作狀態(tài)下，因此壓力損失較小、能耗低、對油液污染不敏感。相對于傳統(tǒng)伺服比例閥，高速開關(guān)閥能直接將ON/OFF數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成流量信號，使得數(shù)字信號直接與液壓系統(tǒng)結(jié)合。近些年來，高速開關(guān)式數(shù)字閥一直是行業(yè)研究熱點(diǎn)，主要集中在電-機(jī)械執(zhí)行器、高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及創(chuàng)新、高速開關(guān)閥并聯(lián)閥島以及高速開關(guān)閥新應(yīng)用等方面。
1.1 高速開關(guān)電-機(jī)械執(zhí)行器的發(fā)展
上世紀(jì)中期開始，對于高速開關(guān)電磁鐵的研究就一直是高速開關(guān)閥研究的重點(diǎn)。英國LUCAS公司，美國福特公司，日本Diesel Kiki公司，加拿大多倫多大學(xué)等對傳統(tǒng)E型電磁鐵進(jìn)行改進(jìn)，提高了電磁力與響應(yīng)速度。浙江大學(xué)研發(fā)了一種并聯(lián)電磁鐵線圈提高電磁力。試驗(yàn)顯示電磁鐵的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間與延遲都得到了明顯的縮短。芬蘭Aalto工程大學(xué)(Aalto University School of Engineering)研究了5種軟磁材料用于電磁鐵線圈的效果以及不同的匝數(shù)及尺寸對驅(qū)動(dòng)力的影響。奧地利林茨大學(xué)(Johannes Kepler University Linz)對因加工誤差、摩擦力和裝配傾斜造成的電磁鐵性能差異進(jìn)行了詳細(xì)的分析。
超磁滯伸縮材料與壓電晶體材料的應(yīng)用為高速開關(guān)閥的研發(fā)提供了新的思路。瑞典用超磁致伸縮材料開發(fā)了一款高速燃料噴射閥。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，使超磁滯伸縮棒產(chǎn)生伸縮位移，直接驅(qū)動(dòng)使閥口開啟或關(guān)閉，達(dá)到控制燃料液體流動(dòng)的目的。這種結(jié)構(gòu)省去了機(jī)械部件的聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)燃料和排氣系統(tǒng)快速、精確的無級控制。超磁致伸縮材料對溫度敏感，應(yīng)用時(shí)需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱抑制裝置和熱補(bǔ)償裝置。中國航天科技集團(tuán)公司利用PZT材料鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，研發(fā)了一款由PZT壓電材料制作的超高速開關(guān)閥，如圖2所示。該閥在額定壓力10MPa下流量為8L/min，打開關(guān)閉時(shí)間均小于1.7 ms。壓電材料脆性大，成本高，輸出位移小，容易受溫度影響，因此其運(yùn)用受到限制。浙江大學(xué)歐陽小平等與南京工程學(xué)院許有熊等就壓電高速開關(guān)閥大流量輸出和疲勞強(qiáng)度問題設(shè)計(jì)了新的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)分析。
美國Purdue大學(xué)研制了一種創(chuàng)新型的高速開關(guān)閥電-機(jī)械執(zhí)行器EAC(Energy coupling actuator)，如圖3所示。其包括一個(gè)持續(xù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤和一個(gè)壓電晶體耦合裝置。轉(zhuǎn)盤一直在順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，通過左右兩個(gè)耦合機(jī)構(gòu)分時(shí)耦合控制主閥芯的啟閉。試驗(yàn)表明5ms內(nèi)達(dá)到2mm的輸出行程。
圖2 PZT高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of PZT high-speed on/off valve
圖3 壓電EAC原理概念圖Fig.3 Piezo EAC concept
1.2 高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與創(chuàng)新
高速開關(guān)閥常用的閥芯結(jié)構(gòu)為球閥式和錐閥式。浙江大學(xué)周盛研究了不同閥芯閥體結(jié)構(gòu)液動(dòng)力的影響及補(bǔ)償方法。通過對閥口射流流場進(jìn)行試驗(yàn)研究，對流場內(nèi)氣穴現(xiàn)象及壓力分布進(jìn)行觀測和測量。美國BKM公司與貴州紅林機(jī)械有限公司合作研發(fā)生產(chǎn)了一種螺紋插裝式的高速開關(guān)閥(HSV)，使用球閥結(jié)構(gòu)，通過液壓力實(shí)現(xiàn)銜鐵的復(fù)位，避免彈簧復(fù)位時(shí)由于疲勞帶來復(fù)位失效的影響。推桿與分離銷可以調(diào)節(jié)球閥開度，且具有自動(dòng)對中功能。該閥采用脈寬調(diào)制信號(占空比為20%~80%)控制，壓力最高可達(dá)20MPa，流量為2~9L/min，啟閉時(shí)間≤3.5ms。該高速開關(guān)閥代表了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化高速開關(guān)閥的先進(jìn)水平，如圖4所示。
美國Caterpillar公司研發(fā)了一款錐閥式高速開關(guān)閥，如圖5所示。該閥的閥芯設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，降低了運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，提高了響應(yīng)速度與加速度。其將復(fù)位彈簧從銜鐵位置移動(dòng)至閥芯中間部位，使得閥芯在尾部受到電磁力，中間部位受到彈簧回復(fù)力，在運(yùn)動(dòng)過程中更加穩(wěn)定。但是此設(shè)計(jì)使得閥芯前后座有較高的同軸度要求，初始?xì)庀杜c閥芯行程調(diào)節(jié)較難，加工難度高，制造成本大。該閥開啟、關(guān)閉時(shí)間為1ms左右，目前已經(jīng)在電控燃油噴射系統(tǒng)中得到運(yùn)用。美國Sturman Industries公司開發(fā)了基于數(shù)字閥的電噴系統(tǒng)，其系統(tǒng)所用高速開關(guān)閥最小響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.15ms。
圖4 貴州紅林HSV高速開關(guān)閥Fig.4 HSV high-speed on/off valve
圖5 Caterpillar公司的錐閥式高速開關(guān)閥Fig.5 Poppet high-speed on/off valve of Caterpillar
除了采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高速開關(guān)閥，新型的數(shù)字閥結(jié)構(gòu)也是研究的重點(diǎn)。明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)設(shè)計(jì)了一種通過PWM信號控制的高速開關(guān)轉(zhuǎn)閥，如圖6所示。該閥的閥芯表面呈螺旋形，PWM信號與閥芯的轉(zhuǎn)速成比例。傳統(tǒng)直線運(yùn)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)需要克服閥芯慣性而造成的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器功率較大，而該閥的驅(qū)動(dòng)功率與閥芯行程無關(guān)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在試驗(yàn)壓力小于10 MPa的情況下，該閥流量可以達(dá)到40L/min，頻響100Hz，驅(qū)動(dòng)功率30 W。
浙江工業(yè)大學(xué)在2D電液數(shù)字換向閥方面展開研究，如圖7所示。其利用三位四通2D數(shù)字伺服閥，在閥套的內(nèi)表面對稱的開一對螺旋槽。通過低壓孔、高壓孔與螺旋槽構(gòu)成的面積，推動(dòng)閥芯左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯在一定的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。該閥利用旋轉(zhuǎn)電磁鐵和撥桿撥叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥芯作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由油液壓力差推動(dòng)閥芯作軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)閥口的高速開啟與關(guān)閉。當(dāng)用旋轉(zhuǎn)電磁鐵驅(qū)動(dòng)時(shí)，在28 MPa工作壓力下，閥芯軸向行程為0.8mm，開啟時(shí)間約為18ms，6mm通徑閥流量高達(dá)60L/min。
圖6 高速開關(guān)轉(zhuǎn)閥Fig.6 High-speed rotary on/off valve
圖7 2D電液數(shù)字換向閥原理Fig.7 Schematic diagram of 2Ddigital valve
1.3 高速開關(guān)閥并聯(lián)閥島研究
上述研究都是針對數(shù)字信號控制的高速開關(guān)閥。然而，由于閥芯質(zhì)量、液動(dòng)力和頻響之間的相互制約關(guān)系，單獨(dú)的高速開關(guān)閥都面臨著壓力低、流量小的限制，在挖掘機(jī)、起重機(jī)工程機(jī)械上應(yīng)用還具有一定的局限性。為解決在大流量場合情況下的應(yīng)用問題，國外研究機(jī)構(gòu)提出了使用多個(gè)高速開關(guān)閥并聯(lián)控制流量的數(shù)字閥島結(jié)構(gòu)。以坦佩雷理工大學(xué)為代表，丹麥奧爾堡大學(xué)(Aalborg University)與巴西圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學(xué)(Federal University of Santa Catarina)都在這方面有深入的研究。
坦佩雷理工大學(xué)(Tampere University of Technology)研究的SMISMO系統(tǒng)。采用4*5個(gè)螺紋插裝式開關(guān)閥控制一個(gè)執(zhí)行器，使油路從P-A，P-B，A-T，B-T處于完全可控狀態(tài)，每個(gè)油路包含5個(gè)高速開關(guān)閥，每個(gè)高速開關(guān)閥后有大小不同的節(jié)流孔，如圖8所示。通過控制高速開關(guān)閥啟閉的邏輯組合，實(shí)現(xiàn)對流量的控制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究，采用SMISMO的液壓系統(tǒng)更加節(jié)能。
圖8 SMISMO系統(tǒng)原理圖Fig.8 Hydraulic circuit diagram of SMISMO
由此發(fā)展的DVS(Digital hydraulic valve system)將數(shù)個(gè)高速開關(guān)閥集成標(biāo)準(zhǔn)接口的閥島，如圖9所示。其采用層合板技術(shù)，把數(shù)百層2mm厚的鋼板電鍍后熱處理融合，解決了高速開關(guān)閥與標(biāo)準(zhǔn)液壓閥接口匹配的問題。目前，已經(jīng)成功的在一個(gè)閥島上最高集成64個(gè)高速開關(guān)閥。關(guān)于數(shù)字并聯(lián)閥島，最新的研究進(jìn)展關(guān)注在數(shù)字閥系統(tǒng)的容錯(cuò)及系統(tǒng)中單閥的故障對系統(tǒng)性能的影響。
圖9 數(shù)字閥層板與集成閥島Fig.9 Selected plates and assembly of the manifold
1.4 高速開關(guān)閥應(yīng)用新領(lǐng)域
高速開關(guān)閥的快速性和靈活性使得其迅速應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。目前在汽車燃油發(fā)動(dòng)機(jī)噴射、ABS剎車系統(tǒng)、車身懸架控制以及電網(wǎng)的切斷中，高速開關(guān)閥都有著廣泛的應(yīng)用。維也納技術(shù)大學(xué)(Vienna University of Technology)將高速開關(guān)閥應(yīng)用于汽車的阻尼器中，分析了采用并聯(lián)和串聯(lián)方案的區(qū)別。并且通過實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)阻尼器的性能進(jìn)行對比，比較結(jié)果說明了數(shù)字閥應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。
英國巴斯大學(xué)(University of Bath)利用流體的可壓縮性以及管路的感抗效應(yīng)建立了SID(Switched inertance device)以及SIHS系統(tǒng)。其最主要的元件為兩位三通高速開關(guān)閥和一細(xì)長管路，如圖10所示。SIHS系統(tǒng)有兩種模式：流量提升和壓力提升，壓力的升高對應(yīng)流量的減小，反之流量的增加對應(yīng)壓力的降低。在流量提升時(shí)，首先是高壓端與工作油口聯(lián)通使得在細(xì)長管路內(nèi)的流體速度升高。高速開關(guān)閥此時(shí)快速切換使得低壓端與工作油口聯(lián)通，因?yàn)榧?xì)長管在液壓回路中呈感性，會將流量從低壓端拉入細(xì)長管，實(shí)現(xiàn)提高流量降低壓力的效果。對于壓力提升，供油端通過細(xì)長管與高速開關(guān)閥相連。初始細(xì)長管與工作油口相連，高速開關(guān)閥換向使得細(xì)長管的出口連接回油端。因回油壓力遠(yuǎn)小于供油壓力，此時(shí)細(xì)長管中的流體開始加速。此后再將高速開關(guān)閥切換到初始位置，因流體的可壓縮性使得工作油口的壓力升高。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了使用高速開關(guān)閥快速切換性帶來壓力和流量提升的正確性。功率分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)表明，如果進(jìn)一步提高參數(shù)優(yōu)化和控制方式，此方案能夠提升液壓傳動(dòng)效率。
圖10 SID：流量提升與壓力提升原理圖Fig.10 Flow booster and pressure booster of SID
將高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)級控制主閥的運(yùn)動(dòng)，獲得高壓大流量是目前工業(yè)界研究和推廣的重點(diǎn)。Sauer-Danfoss公司開發(fā)了PVG系列比例多路閥，其先導(dǎo)閥采用如圖11所示電液控制模塊(PVE)，將電子元件、傳感器和驅(qū)動(dòng)器集成為一個(gè)獨(dú)立單元，然后直接和比例閥閥體相連。電液控制模塊(PVE)包含4個(gè)高速開關(guān)閥組成液壓橋路控制主閥芯兩控制腔的壓力。通過檢測主閥芯的位移產(chǎn)生反饋信號，與輸入信號做比較，調(diào)節(jié)4個(gè)高速開關(guān)閥信號的占空比。主閥芯到達(dá)所需位置，調(diào)制停止，閥芯位置被鎖定。電液控制模塊(PVE)控制先導(dǎo)壓力為13.5×105Pa，額定開啟時(shí)間為150ms，關(guān)閉時(shí)間為90ms，流量為5L/min。
圖11 Sauer-Danfoss公司的先導(dǎo)高速開關(guān)閥原理圖Fig.11 Pilot fast switch valve of Sauer-Danfoss
Parker公司所生產(chǎn)的VPL系列多路閥同樣采用這種先導(dǎo)高速開關(guān)閥方案，區(qū)別是使用兩個(gè)兩位三通高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)，如圖12所示。其先導(dǎo)控制采用PWM信號，額定電壓/電流為12V/430mA或24 V/370 mA，控制頻率為33Hz。
圖12 Parker VPL公司的系列多路閥Fig.12 VPL series muti-directional valve of Parker
二、數(shù)字閥控制技術(shù)：
閥控液壓系統(tǒng)依靠控制閥的開口來控制執(zhí)行液壓元件的速度。液壓閥從早期的手動(dòng)閥到電磁換向閥，再到比例閥和伺服閥。電液比例控制技術(shù)的發(fā)展與普及，使工程系統(tǒng)的控制技術(shù)進(jìn)入了現(xiàn)代控制工程的行列，構(gòu)成電液比例技術(shù)的液壓元件，也在此基礎(chǔ)上有了進(jìn)一步發(fā)展。傳統(tǒng)液壓閥容易受到負(fù)載或者油源壓力波動(dòng)的影響。針對此問題，負(fù)載敏感技術(shù)利用壓力補(bǔ)償器保持閥口壓差近似不變，系統(tǒng)壓力總是和最高負(fù)載壓力相適應(yīng)，最大限度地降低能耗。多路閥的負(fù)載敏感系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求流量超過泵的最大流量時(shí)不能實(shí)現(xiàn)多缸同時(shí)操作，抗流量飽和技術(shù)通過各聯(lián)壓力補(bǔ)償器的壓差同時(shí)變化實(shí)現(xiàn)各聯(lián)負(fù)載工作速度保持原設(shè)定比例不變。
數(shù)字閥的出現(xiàn)，其與傳感器、微處理器的緊密結(jié)合大大增加了系統(tǒng)的自由度，使閥控系統(tǒng)能夠更靈活的結(jié)合多種控制方式。
數(shù)字閥的控制、反饋信號均為電信號，因此無需額外梭閥組或者壓力補(bǔ)償器等液壓元件，系統(tǒng)的壓力流量參數(shù)實(shí)時(shí)反饋控制器，應(yīng)用電液流量匹配控制技術(shù)，根據(jù)閥的信號控制泵的排量。電液流量匹配控制系統(tǒng)由流量需求命令元件，流量消耗元件執(zhí)行機(jī)構(gòu)，流量分配元件數(shù)字閥，流量產(chǎn)生元件電控變量泵和流量計(jì)算元件控制器等組成。電液流量匹配控制技術(shù)采用泵閥同步并行控制的方式，可以基本消除傳統(tǒng)負(fù)載敏感系統(tǒng)控制中泵滯后閥的現(xiàn)象。電液流量匹配控制系統(tǒng)致力于結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)液負(fù)載敏感系統(tǒng)、電液負(fù)載敏感系統(tǒng)和正流量控制系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，充分發(fā)揮電液控制系統(tǒng)的柔性和靈活性，提高系統(tǒng)的阻尼特性、節(jié)能性和響應(yīng)操控性。
相對于傳統(tǒng)液壓閥閥芯進(jìn)出口聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)、出油口靠平衡閥或單向節(jié)流閥形成背壓而帶來的靈活性差、能耗高的缺點(diǎn)，目前國內(nèi)外研究的高速開關(guān)式數(shù)字閥基本都使用負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)出油口的壓力、流量分別調(diào)節(jié)。瑞典林雪平(Linkping)大學(xué)的Jan Ove Palmberg教授根據(jù)Backé教授的插裝閥控制理論首先提出負(fù)載口獨(dú)立控制(Separate controls of meter-in and meter-out orifices)概念。在液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的每一側(cè)用一個(gè)三位三通電液比例滑閥控制執(zhí)行器的速度或者壓力。通過對兩腔壓力的解耦，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)速度控制。此外，在負(fù)載口獨(dú)立方向閥控制器設(shè)計(jì)上，采用LQG最優(yōu)控制方法。在其應(yīng)用于起重機(jī)液壓系統(tǒng)的試驗(yàn)中獲得了良好的壓力和速度控制性能。丹麥的奧爾堡(Aalborg)大學(xué)研究了獨(dú)立控制策略以及閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)對負(fù)載口獨(dú)立控制性能的影響。美國普渡(Purdue)大學(xué)用5個(gè)錐閥組合，研究了魯棒自適應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤控制和節(jié)能控制。其中4個(gè)錐閥實(shí)現(xiàn)負(fù)載口獨(dú)立控制功能，一個(gè)中間錐閥實(shí)現(xiàn)流量再生功能。德國德累斯頓工業(yè)大學(xué)(Technical University Dresden)在執(zhí)行器的負(fù)載口兩邊分別使用一個(gè)比例方向閥和一個(gè)開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)，并研究了閥組的并聯(lián)串聯(lián)以及控制參數(shù)對執(zhí)行器性能的影響。德國亞琛工業(yè)大學(xué)(RWTH Aachen University)研究了負(fù)載口獨(dú)立控制的各種方式，并提出了一種單邊出口控制策略。美國明尼蘇達(dá)(Minnesota)大學(xué)設(shè)計(jì)了雙閥芯結(jié)構(gòu)的負(fù)載口獨(dú)立控制閥，并對其建立了非線性的數(shù)學(xué)模型和仿真。國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代開始對負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)進(jìn)行深入研究，浙江大學(xué)、中南大學(xué)、太原理工大學(xué)、太原科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等均在此技術(shù)研究與工程應(yīng)用方面取得相關(guān)進(jìn)展。
負(fù)載口獨(dú)立控制系統(tǒng)，如圖13所示，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：負(fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)出口閥芯可以分別控制，因此可以通過增大出口閥閥口開度，降低背腔壓力，以減小節(jié)流損失;由于控制的自由度增加，可根據(jù)負(fù)載工況實(shí)時(shí)修改控制策略，所有工作點(diǎn)均可達(dá)到最佳控制性能與節(jié)能效果;使用負(fù)載口獨(dú)立控制液壓閥可以方便替代多種閥的功能，使得液壓系統(tǒng)中使用的閥種類減少。
電液比例控制技術(shù)、電液負(fù)載敏感技術(shù)、電液流量匹配控制技術(shù)與負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)一步提高了液壓閥的控制精度和節(jié)能性。數(shù)字液壓閥的發(fā)展必然會與這些閥控技術(shù)相結(jié)合以提高控制的精確性和靈活性。
圖13 負(fù)載口獨(dú)立系統(tǒng)原理圖Fig.13 Schematic diagram of independent metering system
三、可編程閥控單元：
以高速開關(guān)閥為代表的數(shù)字流量控制技術(shù)采用數(shù)字信號控制閥或者閥組，使得閥控系統(tǒng)輸出與控制信號相應(yīng)的離散流量。高速開關(guān)閥只有全開和全關(guān)兩種狀態(tài)，節(jié)流損失大大減小;增加了控制的靈活性和功能性;閥口開度固定，對油液污染的敏感度降低。然而，正因?yàn)檫@些特性，這種數(shù)字閥要大規(guī)模的應(yīng)用于工業(yè)，還有許多問題需要解決：首先，高速開關(guān)閥在開啟和關(guān)閉的瞬間，對系統(tǒng)造成的壓力尖峰和流量脈動(dòng)，執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。其次，高速開關(guān)閥的響應(yīng)必須進(jìn)一步提高，穩(wěn)定長時(shí)間的切換壽命也是必須的。第三，在數(shù)字閥島的應(yīng)用中，所選擇的高速開關(guān)閥的啟閉需要同步。在數(shù)字流量控制技術(shù)發(fā)展成熟之前，國外一些廠家綜合了數(shù)字信號控制的靈活性以及比例閥在高壓大流量工業(yè)場合的成熟應(yīng)用，開發(fā)出閥內(nèi)自帶壓力流量檢測方式，結(jié)合電液流量匹配控制技術(shù)與負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)，閥的功能依靠計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)的可編程閥控單元(Programmable valve control unit)。
伊頓(Eaton)公司開發(fā)的ZTS16系列多路閥，額定壓力是35 MPa，單片流量為130L/min，單個(gè)閥最多包含6片閥，12個(gè)閥芯，如圖14所示。采用CAN總線進(jìn)行通訊，每片閥自帶DSP數(shù)字信號處理器完成信號的采集與上位機(jī)信號的處理，生成相應(yīng)的PWM數(shù)字信號，直接驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)音圈電機(jī)工作。該閥每個(gè)工作油口自帶濺射薄膜壓力傳感器，每個(gè)閥芯裝有LVDT位移傳感器，能夠?qū)⒐ぷ饔涂诘膲毫α髁壳闆r實(shí)時(shí)的反饋至DSP，實(shí)現(xiàn)壓力流量的完全可控。該閥采用負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)，使得執(zhí)行器的動(dòng)作更加靈活。閥的功能完全通過編程來實(shí)現(xiàn)，不用添加其他壓力補(bǔ)償元件或者先導(dǎo)回路即可實(shí)現(xiàn)壓力控制或者流量控制及工作模式的切換。對于多執(zhí)行器的應(yīng)用場合，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載敏感和三種抗流量飽和的方案。目前已在JCB、Deere、DAWOO、CASE等公司的挖掘機(jī)、叉車和裝載機(jī)上示范應(yīng)用。
圖14 Eaton公司的ZTS16系列多路閥Fig.14 ZTS16control valve of Eaton
Husco公司研發(fā)了采用螺紋插裝閥結(jié)構(gòu)的EHPV液壓閥，采用雙向兩位控制閥，且?guī)毫ρa(bǔ)償機(jī)構(gòu)，如圖15所示。通過4個(gè)閥組形成的液壓橋式回路控制執(zhí)行器端口的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。該閥使用CANJ1939總線進(jìn)行信號的傳遞和控制，可以根據(jù)操作者的指令，通過執(zhí)行器端口的壓力來調(diào)節(jié)閥的開度。使用該閥可以省去平衡閥組，使得系統(tǒng)的控制功能增加。在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制中，采用協(xié)調(diào)控制算法，提高了操作者的操作效率。EHPV的PWM控制信號頻率為100Hz，額定壓力為350×105Pa，有75 L/min、150 L/min和800L/min三種規(guī)格。佐治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology)的Amir Shenouda對其應(yīng)用在小型挖掘機(jī)上的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[67] 。其實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)在于，將裝有插裝閥閥組的集成閥塊安裝在近執(zhí)行器端，避免了液壓管路對控制系統(tǒng)的影響和液壓容腔對控制性能的延遲作用。對于EHPV可編程閥在流量模式切換上和節(jié)能性方面的優(yōu)點(diǎn)給予了理論和實(shí)驗(yàn)證明。另外，此系列閥還應(yīng)用于JLG公司的登高車上，并進(jìn)行了系列化生產(chǎn)，動(dòng)臂下降速度增加12%，泄漏點(diǎn)減少27%，流量增加25%，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加[68] 。
雖然可編程閥控單元(Programmable valve control unit)并不能算嚴(yán)格意義上的數(shù)字閥，但其采用數(shù)字信號直接控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓大流量的應(yīng)用。內(nèi)置傳感器且與數(shù)字控制器相配合使用。通過程序，可以自主的決定閥的功能，使得多種多樣的功能閥和先導(dǎo)閥可以用同一種閥控單元的形式替代。在數(shù)字液壓元件真正產(chǎn)業(yè)化之前，是現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用升級換代和研究的重要方向。對于可編程閥控單元的研究，目前的研究重點(diǎn)在于：①嵌入式傳感器技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù);②控制策略開發(fā)與傳統(tǒng)功能閥等效技術(shù);③負(fù)載功率匹配和多執(zhí)行器流量分配控制技術(shù)。
圖15 Husco公司的EHPV閥Fig.15 EHPV valve of Husco
四、總結(jié)與展望：
液壓閥的發(fā)展經(jīng)歷了如圖16所示發(fā)展歷程，從最開始手動(dòng)控制只有油路切換功能的液壓閥到采用數(shù)字信號能夠進(jìn)行壓力流量閉環(huán)控制的可編程閥再到流量離散化的數(shù)字閥，這些元件的產(chǎn)生是液壓、機(jī)械、電子、材料、控制等學(xué)科交叉發(fā)展的結(jié)果。而液壓閥的智能化與數(shù)字化又增進(jìn)了工業(yè)設(shè)備及工程機(jī)械的自動(dòng)化、控制智能化、能量利用效率。
圖16 液壓閥的發(fā)展歷程Fig.16 Development of hydraulic valve
數(shù)字閥的發(fā)展和應(yīng)用可以使從事液壓領(lǐng)域工作的技術(shù)人員和研究人員從復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓流道中解放出來，專注于液壓功能和控制性能的實(shí)現(xiàn)。與傳感器及控制器相結(jié)合，可以通過程序與數(shù)字閥的組合簡化現(xiàn)有復(fù)雜的液壓系統(tǒng)回路。模塊化的數(shù)字閥需要其參數(shù)、規(guī)格與接口統(tǒng)一，讓液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)一樣標(biāo)準(zhǔn)化。
數(shù)字閥的重要應(yīng)用就是利用其高頻特性達(dá)到快速啟閉的開關(guān)效果或者生成相對連續(xù)的壓力和流量。目前，采用新形式、新材料的電-機(jī)械執(zhí)行器，降低閥芯質(zhì)量和合理的信號控制方式，使得數(shù)字閥的頻響提高，應(yīng)用范圍越來越廣。然而，對于高壓力、大流量系統(tǒng)，普遍存在電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器推力不足、閥芯啟閉時(shí)間存在滯環(huán)等問題。因此，在確保數(shù)字閥穩(wěn)定性的情況下如何提高響應(yīng)，尤其是在高壓大流量的液壓系統(tǒng)中的使用一直是數(shù)字閥的研究重點(diǎn)。
隨著人類社會責(zé)任感的提高，工業(yè)界能量利用效率、對環(huán)境的影響都是亟需關(guān)注的問題。不能做到節(jié)能減排的工業(yè)必將會被替代和淘汰。相對而言，液壓傳動(dòng)的效率并不高，但這也恰恰說明其具有較大的提升空間。與新型的控制方式與電子技術(shù)相結(jié)合，數(shù)字閥工作的過程可以監(jiān)控其工作端的壓力流量參數(shù)、減少背壓、根據(jù)工況反饋調(diào)節(jié)泵參數(shù)甚至發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能效果。
本文從液壓傳動(dòng)領(lǐng)域面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)出發(fā)，說明研發(fā)數(shù)字液壓元件的重要性。從國內(nèi)外主流的觀點(diǎn)中總結(jié)對數(shù)字液壓元件的定義。分四個(gè)方面(電-機(jī)械執(zhí)行器、高速開關(guān)閥閥體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及創(chuàng)新、高速開關(guān)閥并聯(lián)閥島、高速開關(guān)閥新應(yīng)用)介紹了數(shù)字閥研究和發(fā)展方向。同時(shí)，對于數(shù)字閥元件采用的新型閥控系統(tǒng)，特別闡述了負(fù)載口獨(dú)立控制技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)。最后，目前高速開關(guān)閥目前很少應(yīng)用在高壓大流量系統(tǒng)中的問題，提出了一種數(shù)字信號控制的可編程閥。其綜合了數(shù)字信號控制與高壓大流量的特點(diǎn)，是工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用的重要方向。新技術(shù)的出現(xiàn)和與其他領(lǐng)域發(fā)展成果相結(jié)合，使得數(shù)字閥的加工制造成本的下降，控制方式更加智能，其應(yīng)用必將更加普及，對于提高液壓技術(shù)的發(fā)展具有至關(guān)重要意義。
作者：楊華勇 王雙 張斌 洪昊岑 鐘麒(浙江大學(xué)流體傳動(dòng)與機(jī)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
【興迪源機(jī)械液壓技術(shù)優(yōu)勢】
興迪源機(jī)械嚴(yán)格按照ISO國際標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量管理體系和5S管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和內(nèi)部管理。建立有 “河南省流體壓力成形智能裝備工程技術(shù)研究中心”，核心團(tuán)隊(duì)由數(shù)十名博士、碩士和各高等院校金屬成形專家教授組成，專注于液壓成形核心技術(shù)和產(chǎn)品工藝研發(fā)。
興迪源機(jī)械與中國科學(xué)院金屬研究所、南京航空航天大學(xué)等院校開展長期的產(chǎn)、學(xué)、研合作，并共同設(shè)立了“液壓成形技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范基地”，時(shí)刻跟蹤國內(nèi)外領(lǐng)先技術(shù)，不斷提升“興迪源”液壓設(shè)備品牌價(jià)值。
