6.1液压伺服阀、比例阀、数字阀在水轮机调节行业中的应用
6.1.1 概况
为满足大吨位操作功的需要，水轮机调速系统的执行机构往往由液压系统构成。尽管液压传动已经历了很长的发展历史，然而，现代电液随动技术在水轮机调速器中的应用历史也只不过短短数十年的时间。就现代电液随动技术的发展进程而言，其历史可追溯到二战后期，1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统，其滑阀由伺服电机驱动，伺服电机惯量很大，成了系统动态特性的主要环节。直到20世纪50年代后期才出现以永磁力矩马达－喷嘴挡板阀为先导级的伺服阀，使电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的随动系统。20世纪60年代后期随着各种结构电液伺服阀的相继问世，电液伺服系统已逐渐成为武器、航空、航天自动控制以及一部分民用工业设备自动控制的重要组成部分；此时在水轮机调速器中也出现过电液伺服系统的少量尝试。但是，由于电液伺服阀对油液清洁度要求十分苛刻，制作成本与维护费用较高，系统能耗也大，难以在一般民用工业领域得到广泛应用。因此，人们迫切希望开发一种可靠、廉价，控制精度和响应特性均能满足一般工业设备实际需要的电液控制技术，这就是上世纪60年代末以来工业伺服技术和电液比例技术得以发展的背景。
工业伺服阀的主要特点是：以高性能伺服阀为基础，增大电气－机械转换环节的输出功率，适当简化阀的结构，着重改善阀的耐油污能力，并降低制作成本。比例阀则是以传统工业用液压阀为基础，采用可靠、廉价的模拟式电气－机械转换组件和与之相应的阀内结构设计，从而获得对油质要求与一般工业阀相同、廉价、阀内压力损失低、性能又能满足一般工业控制设备要求的比例元件。
此外，自从模拟式电液比例元件成功应用起，人们就开始注意到数字式或脉冲式液压元件的开发。这类元件的优点是对油液污染不敏感、工作可靠、重复精度高、成批生产的性能一致性好。随着计算机控制日益广泛的应用，人们迫切希望能用计算机直接控制流体脉冲，使液压元件数字化，上世纪80年代出现的高速开关阀现已部分取代了比例阀或伺服阀工作，在微机实时控制的电液随动系统应用中取得一席之地并独树一帜。
就水轮机调速器的电液随动系统而言，高档伺服阀(如喷嘴挡板伺服阀)、工业伺服阀(如动圈－滑阀式伺服阀)的正式应用起步于上世纪70年代，到90年代中期已十分普及；自90年代后期比例阀、高速开关阀也已开始逐渐得到应用，如今这类系统已得到大量使用，并得到水电行业用户的广泛认可与采纳。
6.1.2 比例阀
比例阀控制流体属于模拟式流体控制，比例阀是介于普通工业液压阀和电液伺服阀之间的一种液压阀。一般由比例电磁铁与相应机能的阀件组成。比例电磁铁由线圈、铁芯、固定件组成，而由其推动的阀件可以是压力阀、流量阀、方向/流量阀或复合阀。比例电磁铁巧妙地利用了磁性材料磁通密度的饱和特性，使电磁作用力与电流成比例。由于比例阀铁芯的电磁力与输入比例线圈的电流成正比，而铁芯的反作用力则由复位弹簧来平衡，这就决定了电流与铁芯位移之间具有一定比例关系。而比例阀的阀芯则由电磁铁铁芯带动，从而实现对液压参量的比例控制。至于比例阀的电气操纵方式，可以使用模拟信号，也可采用耗电小和电流放大简单的脉宽调制信号(PWM信号)。
比例阀的发展大体经历了3个阶段：上世纪60年代末～70年代初为比例阀诞生阶段，此时的比例阀仅仅将比例电磁铁用于普通工业液压阀，以代替普通开关电磁铁或操作手柄，阀件的结构原理和设计准则几乎没有变化，不含受控参量的反馈闭环，其工作频宽仅在(1～5)Hz之间，稳态滞环在(4～7)%之间，只能用于开环控制。
1975年～1980年间比例阀发展进入了第二阶段，采用各种内反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟，比例阀的工作频宽已达(5～15)Hz，稳态滞环亦减小到3%左右。其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。
上世纪80年代初至今，比例阀发展进入第三阶段，比例阀设计原理进一步完善，采用了压力、流量、位移内反馈、动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。其中，值得一提的是，德国Bosch公司在90年代对常规比例方向流量阀进行了一系列的改进与技术更新，推出了所谓比例伺服阀，其主要性能实际已达到了伺服阀的各项指标。另一项重大进展是，比例技术和插装阀相结合，推出了不同功能和规格的比例插装阀，形成了电液比例插装技术。同时，由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例阀，比例技术逐渐形成了集成化的趋势。
比例阀在水轮机调速器中的应用，主要是比例方向流量控制阀、比例伺服阀，后者其实是特殊形式的高性能比例方向流量控制阀，也称闭环比例阀。
1）。比例方向流量控制阀的特点及分类
比例方向流量控制阀是一种能按输入电流信号连续控制液流方向和流量的电液控制阀，它具有下列主要特点：
⑴滑阀配合间隙仅和一般换向阀相当，因此对油质要求较低；
⑵比例电磁铁的输入功率较大，比伺服阀大一个数量级，这是提高其工作可靠性的技术措施之一；
⑶比例方向流量阀的额定工作压差比伺服阀低一个数量级，与普通换向阀相当，单阀口压降约(0.25～0.8)MPa，其系统能耗和温升远比采用伺服阀的系统低；
⑷中位搭叠量较大，这是为降低成本而作出的一种抉择。但因此也成了一个附带的优点，在失电时能保证受控负载的位置不漂移；
⑸可以象普通换向阀一样，采用不同的滑阀中位机能；
⑹存在着(3～5)%的静态滞环、较大的非线性，且动态响应要比伺服阀低；
⑺由于存在较大的中位搭叠量，对中弹簧又具有一定的预压缩量，因此其零位控制死区很大，其起始控制电流值可达额定控制电流的(10～20)%.
比例方向流量控制阀按其流量控制方式，可分为节流控制型和流量控制型两大类。前者受控量只是阀芯位移即阀口开度，输出流量受负载及供油压力变化的影响；后者采用压力补偿或流量反馈，其被控流量只取决于控制电流，而与负载及供油压力变化无关。为降低使用要求、简化控制环节，在水轮机调速器中常采用前者作为电液转换元件。
2）。直控式比例方向流量阀
图1为不带位置反馈的直控式比例方向流量阀的结构示意图，属于节流控制型方向流量阀。图中，进油口为P、出油口为A/B、回油口为T。
图1. 不带位置反馈的直控式比例方向流量阀
当比例电磁铁不通电时，阀芯由复位弹簧保持在中位，当向左侧电磁铁输入一个电流信号时，电磁铁就会产生一定的推力，推动阀芯克服弹簧力向右移动一定距离，阀芯相对于阀体的控制台阶移动一定的开口量，P腔到B腔、A腔到T腔流过一定的流量。若输入连续的电流信号，则开口量就会随之呈线性变化，使通过阀的液流流量成比例变化。右侧电磁铁输入电流信号时，也会产生类似的变化，只不过液流方向相反。改变左、右比例电磁铁的信号，就可使液流改变方向和流量。而普通的电磁铁换向阀只有左、中、右3个位置，不可能在中间任一位置停留。
不带位置反馈的直控式比例方向流量阀由于受摩擦力及阀口液动力等干扰的影响，阀芯定位精度不高，尤其在高压大流量情况下，液动力的影响更加突出。为提高阀口开度控制精度，可采用带位移电反馈的比例方向流量阀。
如果在图1所示的比例电磁铁末端加装位移传感器，就可构成电反馈比例方向流量阀。参见图2，位置传感器可以检测电磁铁铁芯的位置，即阀芯的确切位置，若有一定的位置误差，就会产生一个反馈信号给放大器，输入信号和反馈信号在放大器内比较，两个数值比较后，产生一个偏差信号输入电磁铁，以补偿干扰产生的阀口开度误差；此时阀口开度仅取决于输入的电流信号，而与摩擦力、液动力等干扰无关。
图2. 带位置反馈的直控式比例方向流量阀
3）。先导式比例方向流量阀
与普通换向阀一样，大通径比例方向流量阀由于主阀芯运动所需的操纵力很大，需要采用先导结构。图3的结构系减压型先导阀＋主阀弹簧定位型比例方向流量阀，这种结构比较常见。与直控式比例阀的主要区别在于增加了先导阀，图中的导阀系比例电磁铁操作的压力控制阀(三通减压阀)，用减压阀作导阀的好处是不必持续消耗控制油。主阀采用单弹簧对中，弹簧有预压缩量，当先导阀无输入信号时，主阀芯2的两端无压力，主阀芯对中。
其大致工作过程是：电液比例减压型先导阀电磁铁接收输入的电流信号，输出与之成比例的控制压力信号，与输入信号极性相对应的两个出口压力(左侧电磁铁控制右出口压力，右侧电磁铁控制左出口压力)，分别引至主阀芯2的两端，利用它在两个端面上所产生的液压作用力与对中弹簧3的弹簧力平衡，而使主阀芯2与输入信号成比例地定位。
这种阀的优点是对制造和安装无特殊要求，通用性好、调整方便。其主要缺点是主阀芯的阀口开度易受摩擦力、液动力等干扰的影响，即主阀芯定位精度不高。为提高阀口开度控制精度、优化整阀的动态特性，可采用带主阀芯位置电反馈结构的先导式比例方向流量阀，或在主阀芯位置电反馈的基础上，给先导阀也增设位置电反馈，构成先导级及主级－二级位置电反馈。由于这两种改进型结构的先导式比例方向流量阀在水轮机调速器中的应用极少，故不在此专门介绍了。
图3. 先导式比例方向流量阀
4）比例伺服阀
由于一般情况下比例阀存在着(3～5)%的静态滞环、(10～20)%的零位遮盖、较大的非线性等不足，因此只是大量应用于开环控制的场合，如果将其直接应用于调速器这样的闭环系统，有时控制性能难以满足要求。随着电子技术的飞速发展，比例阀的改进出现了质的飞跃， 其中，比较有代表性的就是上世纪90年代初Bosch公司推出的比例伺服阀，这种阀在性能上已达到了伺服阀的各项指标，使得用比例伺服阀代替伺服阀变得可行。它与普通比例阀有所区别，图4为其结构示意图。
比例伺服阀液压部分也是滑阀式结构，内有一四通阀芯，可在精密加工并淬硬的阀套内滑动，具有很高的遮盖精度，采用矩形全周控制口。阀套被压入五腔阀体内，阀芯由集成感应式位置传感器的比例电磁铁直接驱动，采用单电磁铁、单平衡弹簧结构。
其工作原理类似于普通方向比例阀，所不同的是比例伺服阀在断电时，在单平衡弹簧的作用下被推向第4工作位置(安全位)，而不是中间位置，第4工位只有两种机能可供选择，一种是4个油口都关断型，另一种机能是压力油口P关断、控制口A/B同时与回油T沟通；正常工作过程中的阀芯位置调整由单电磁铁控制，而不是由双电磁铁控制。
比例伺服阀具有以下主要特点：
(1)精度高（滞环、重复精度0.1%）、动态响应好（响应频宽不小于10Hz，最大可达40～80Hz，阶跃信号调整时间不超过10ms）;
(2)与伺服阀先导控制级弱信号（一般为数十至数百毫安）控制不同，比例伺服阀为强信号（最大电流2.5A）控制、功率大（最大功率25 VA以上）、阀芯操作力大，提高了工作可靠性和耐油污能力；
(3)阀体采用五槽镶套结构，精确制造的硬质阀芯、阀套，保证了零开口工作状态，其轴向配合精度0.002。硬质耐磨的工作棱边，即使长期工作后，也无明显磨损，仍能保证陡峭的压力增益特性和平直的流量增益特性，在断电时，能进入安全的第4工位，避免断电时对系统构成的潜在危险。
由于比例伺服阀的诸多优良性能，比例伺服阀已在许多工业控制领域取代了伺服阀、比例阀，成为液压控制的一个发展方向之一。比例伺服阀在水轮机调速器行业的应用开始于上世纪90年代中期，如今已得到广泛使用，并得到水电厂用户的普遍认可。
图4. 比例伺服阀
6.1.3 高速开关阀
高速开关阀诞生的历史并不长，但发展较快。国外于上世纪70年代末开始研制，80年代日本已有少量试制产品问世，随后在机床、成型机械、试验机、工程机械、汽车、冶金机械等工业控制中得到成功尝试；此后德国、美国、瑞典、加拿大等国也相继有产品问世。我国一些高校于80年代末也开始了高速开关阀的研究，并有少量样品用于生产实际。90年代末，国内已有单位尝试将高速开关阀用作水轮机调速器的电液转换元件，并得到成功的应用，如今它已在水轮机调速器领域取得一席之地，并成为一个新的分支。
用高速开关阀控制流体属于脉冲式流体控制，只有开/关两个状态，它是计算机控制液压系统的理想方案之一，作为计算机与液压系统的桥梁，它可直接与计算机接口而无需D/A转换，从而使流体控制数字化，与伺服阀和比例阀相比，它具有结构简单、抗污能力强、重复性好、工作稳定可靠、能耗小等优点，因而在流体控制中独树一帜。利用这种阀的微小流体脉冲就能控制流体的流量与压力，从而控制随动主阀或接力器的速度、位置、力等参量。
作为理想的高速开关阀是以低能耗、高速度(小于10-3s)控制压力流体为首要条件，但在控制流量/压力与电耗方面要缩短切换时间则依然是有限的，目前一般大约为1～5ms。由于这种阀是通过计算机软件来决定流体的控制性能，所以软件的开发对系统集成者来说也是十分重要的事情。
高速开关阀有二位二通、二位三通等形式。使电信号变为机械操纵力的方法可采用圆筒形线圈、可动线圈、电致伸缩元件等。此外，为使阀的泄漏达到最低限度，常采用球阀、锥阀结构，用硬资材料来制造阀芯、阀体等零件。
现就某些结构形式的高速开关阀作一大体介绍：
⑴盘式电磁铁－锥阀组合的高速开关阀
如图5所示，通电时盘式衔铁1左移，带动阀芯3开启阀口，压力油P通控制口A、T与A截止；断电时弹簧2压衔铁向右复位，阀口关闭，P与A截止、回油T与A口沟通。这种阀电磁作用力很大，可达120N，而阀芯行程较短。
图5. 盘式电磁铁－锥阀组合的高速开关阀(二位三通)
⑵螺管电磁铁－锥阀式高速开关阀
如图6所示，线圈4通电时，衔铁2右移，使与其联接的锥阀芯1开启，压力油P通控制口C。为防止开启时阀芯因稳态液动力而关闭，并考虑到减小电磁驱动力，该阀通过射流对铁芯的作用来补偿液动力。断电时，弹簧3使锥阀关闭，P与C截止。阀套5上有一阻尼孔6，用以补偿液动力。
图6. 螺管电磁铁－锥阀式高速开关阀(二位二通)
⑶螺管电磁铁－滑阀式高速开关阀
如图7所示，线圈通电时衔铁3左移，通过推杆使阀芯左移，压力油P通控制口A。断电时，弹簧1使阀芯复位，A通回油T。
滑阀式高速开关阀容易获得液压力平衡和液动力补偿，可用在高压大流量下工作，可以多位多通，但这会加长工作行程，影响快速性，加工精度要求较高，而密封性较差，因泄漏会影响控制精度。
图7. 螺管电磁铁－滑阀式高速开关阀(二位三通)
⑷螺管电磁铁－提动阀式高速开关阀
如图8所示，通电时衔铁1下移，经推杆2使提动阀芯3向下，打开阀口，P通C。断电时弹簧5向上推动阀芯，关闭阀口。
图8. 螺管电磁铁－提动式高速开关阀(二位二通)
⑸螺管电磁铁－球阀组合式高速开关阀
如图9所示，该阀液压部分为2级，均为二位三通。当电磁铁通电时，衔铁1向上运动，使先导阀2的负载腔与压力油沟通，回油口关闭。先导阀的负载腔即是主阀3的左端。因此，此时主阀左端与压力油相通，推动主阀(球阀)向右移动。于是主阀负载腔A与供油P沟通，回油T与A截止。若电磁铁断电，则压力油驱动先导阀和主阀，使之负载腔与供油切断，而与回油口T沟通。
图9. 螺管电磁铁－球阀组合式高速开关阀(二位三通)
⑹压电陶瓷式高速开关阀
压电陶瓷是一种电致伸缩材料，多片压电晶体叠合，通电时会产生变形，其响应时间可以做到0.5～1ms。当选择合适的控制信号频率时，阀的通断所引起的流量/压力波动经主阀或系统执行器衰减，不至于影响系统的输出。主要缺点是电气控制的功率消耗较大.
张建民 执笔下载本文
