伺服閥在液壓系統(tǒng)中的應用

秦向宏，齊婷婷

（寶雞鈦業(yè)股份有限公司，陜西寶雞 721014）

0 引言

伺服閥是液壓系統(tǒng)中經常使用的自動控制閥，其功用是將小功率的電信號輸入轉換為大功率液壓能（壓力和流量）輸出，從而實現(xiàn)對液壓元件機械量（位移、速度和力等）的控制。所以它既是轉換元件，又是功率放大元件。伺服閥種類多，通常由電氣-機械轉換器（力馬達或力矩馬達）、液壓放大器（先導級和功率級主閥）和檢測反饋機構三部分組成。

現(xiàn)代液壓設備中的伺服系統(tǒng)采用電液方式，提高了系統(tǒng)的生產效率。隨著技術的不斷發(fā)展，伺服閥應用廣泛，具有體積小、結構緊湊、控制精度高、快速性好、輸出功率大、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，可實現(xiàn)設備高效的運轉。

1 伺服閥的應用

1.1 伺服系統(tǒng)的沖洗

安裝伺服閥前系統(tǒng)必須沖洗，可借助沖洗板或相同機能的換向閥（機能符號為G 或H）來代替。為了達到最低清潔度的要求，系統(tǒng)內的油液至少過濾150～300 次。沖洗時間t=V/qv×（2.5～5）。式中，t 為系統(tǒng)沖洗時間，h；V 為油箱容積，L；qv為泵流量，L/min。

沖洗過程中隨時檢查過濾器，按要求更換濾芯，推薦使用5 μm。對于內部先導控制的閥，油液的最大允許污染度是NAS 7 級。對于外部先導控制的閥，“X”油路的最大允許污染度是NAS 7 級，“P”油路是NAS 9 級。

1.2 伺服閥的安裝

伺服閥不允許使用麻繩、密封帶之類的密封材料。管路用無縫鋼管，與執(zhí)行器連接的管路要盡可能短，比例閥的安裝應該盡可能靠近執(zhí)行器。安裝表面的精加工面，按Ra≤0.04 μm，平面度≤0.01/100 mm 標準執(zhí)行。

1.3 伺服閥在閥控系統(tǒng)中的應用

1.3.1 4WS2EM 16-2X/型噴嘴擋板式伺服閥

4WS2EM 16-2X/型為電控二級伺服方向閥（圖1、圖2），主要用于位置、力和速度閉環(huán)控制。力矩馬達、噴嘴、閥芯，在力矩馬達線圈輸入一個電信號，通過永久磁鐵產生一個力，連到扭矩管上產生扭矩，通過連桿連接到擋板，使其離開噴嘴之間的中心位置，產生壓力差，作用于控制閥芯的端面。壓力差使得閥芯移動，由此壓力腔連到一執(zhí)行器上，同時另一執(zhí)行器與回油腔連接。控制閥芯通過反饋彈簧連到噴嘴擋板和力矩馬達上。控制閥芯不斷改變位置，直到反饋彈簧的反饋力矩和馬達的電磁轉矩相平衡，噴嘴擋板系統(tǒng)的壓差變?yōu)榱恪ｉy芯的行程可通過先導控制閥的流量實現(xiàn)閉環(huán)控制，與電信號成正比，流量由閥的壓力差決定。

圖2 4WS2EM 16-2X/型伺服閥

1.3.2 2WRCE125D 型三級比例閥

2WRCE 是三級快速反應的比例閥結構如圖3 所示，其中二級先導閥4WS2EM 16-2X/主控制閥芯用于流量控制，電感式位移傳感器的鐵芯固定在第三級的閥芯上，集成閉環(huán)控制回路。指令值和實際值在集成電控裝置內進行比較，先導閥的力矩馬達由與控制差成正比的電流控制。先導閥假定存在一個位置來控制流量進（出）控制腔A 和B，通過閥的閉環(huán)控制，驅動主級直到跟隨誤差值等于0。

圖3 2WRCE125D 型比例閥結構組成

因此，主閥芯的行程是和指令值成比例的閉環(huán)控制。流量能夠通過閥從A 至B 或從B 至A，閥座在5%（等于0.5 V 或0.5 mA）的指令值下打開或關閉。對于較小的指令值，閉環(huán)回路設法跟隨閥芯并使其受壓，隨著作用在閥座上的壓力達到系統(tǒng)壓力。對于從固定位置開始指令值階躍和小的開啟值，會出現(xiàn)附加的延遲時間。當更換先導閥或電控裝置時，開啟點能夠通過零點匹配電位器R316 來校準。

反饋系統(tǒng)的各項誤差：反向誤差≤0.2%，響應靈敏度≤0.1%，零點平衡≤2%。

1.3.3 由2WRCE125D 伺服閥控制的2500 t 自由鍛壓機閥控系統(tǒng)

由2WRCE125D 伺服閥控制的2500 t 自由鍛壓機閥控系統(tǒng)閥箱如圖4 所示，10 臺軸向柱塞泵將高壓油輸送至閥箱，由多個液壓閥組重新分配，通向各執(zhí)行元件。伺服閥（圖5）參與控制鍛壓機主缸加壓（柱塞尺寸：Ф1000×3050）。

圖4 2500 t 鍛壓機閥箱

圖5 2WRCE125D型伺服閥

（1）執(zhí)行停止或者空程下降動作時，充填管路壓力油（壓力1 MPa）以7200 L/min 的流量快速通過充液閥（DN200），進入主缸無桿腔進行充填。

以鍛壓直徑Ф500 mm 的坯料為例，計算充填速度。

無桿腔容積V=πr2×h。其中r 為柱塞半徑，h 為坯料高度對應的柱塞行程。計算得出V=392.5 L。充填管路流量q=7200 L/min=120 L/s；充填時間t=V/q=3.27 s。

（2）執(zhí)行加壓動作時，來自主分配器的高壓油與主缸無桿腔相連，部分用于關閉充液閥，部分進入2 個三級比例閥2WRCE125D的下腔。同時來自系統(tǒng)的先導控制油（16 MPa）進入4WS2EM 16-2X 二級先導伺服閥，控制閥芯上腔壓力油的通斷。由于主閥芯上、下腔的面積差，閥芯下移關閉主閥，切斷回油通道，壓力油進入主缸無桿腔執(zhí)行加壓。

（3）動梁提升時，先導控制油進入4WS2EM 16-2X 先導伺服閥，關閉主閥閥芯上腔的液壓油，閥芯上移，高壓油連通回油管路。

通過16 mm 通經的先導閥控制125 mm 通經的主閥芯，執(zhí)行通向主缸壓力油的通斷，實現(xiàn)加壓速度v=0～143 mm/s。先導閥油路單獨、穩(wěn)定地輸出，保證了主閥的可靠性。傳感器閉環(huán)控制保證了系統(tǒng)的精確性。伺服閥響應頻次高，在動梁5 cm 的行程范圍內，可實現(xiàn)60 次/min 的鍛造速度。低壓系統(tǒng)參與壓下充填、回程回油，空降速度可達v=300～500 mm/s，實現(xiàn)鍛造的高效性。

1.4 伺服閥在泵控系統(tǒng)中的應用

泵控系統(tǒng)（圖6）主泵型號RX500-6-1/2-1-6-1-1-0，為正弦徑向變量柱塞泵，排量1000 dm3/min，工作壓力35 MPa，極限壓力45 MPa。噴嘴擋板式伺服閥與伺服油缸共同參與來實現(xiàn)泵流量變化的控制，伺服閥通過系統(tǒng)的先導油控制伺服油缸的伸縮，油缸與泵轉子的卡槽連接，通過轉子的移動，使與定子之間的間隙產生變化，進而使流量發(fā)生變化；同時伺服油缸配置位移傳感器，反饋數(shù)值與伺服閥給定相比較，閉環(huán)控制，調整到達預設值（圖7）。反饋系統(tǒng)的各項誤差可達到以下數(shù)值：反向誤差≤0.2%，響應靈敏度≤0.1%，零點平衡≤2%。

圖6 泵控系統(tǒng)

圖7 變量泵內部結構

該泵控系統(tǒng)通過16 臺主泵各自的分工，管道直連對應的執(zhí)行機構，減少能量的過程損失，降低能耗。徑向柱塞泵排量大、壓力高，實現(xiàn)鍛壓機噸位的大幅提升。相同動作由同組多臺泵共同參與，個別泵的故障，其余泵及時補充，保證生產的連續(xù)性。

1.5 伺服閥冗余技術在鈦合金鍛造行業(yè)的應用

冗余技術，是利用系統(tǒng)的并聯(lián)模型來提高系統(tǒng)可靠性的一種手段，分工作冗余和后備冗余。在某些重要的行業(yè)，關鍵的環(huán)節(jié)、工藝流程等，必須添加冗余技術，確保人員、設備的安全。

以2500 t 自由鍛壓機的生產過程為例（圖8），壓機與操作機聯(lián)機使用，操作機鉗口夾持坯料，喂料至壓機上、下砧之間，在小的型變量壓下時，操作機的鉗口在緩沖機構的作用下，小距離下行，彌補上砧帶來的強大扭力。壓機上砧小范圍回程后，緩沖機構使鉗口復位。此過程中，操作機提升動作的伺服閥參與控制，提升的位移傳感器監(jiān)測到數(shù)值后反饋給主閥，決定主閥的開啟程度，及時跟進壓機鍛壓的行程，防止因大行程鍛壓帶來的巨大扭力損壞操作機鉗桿。同時在切斷坯料等大行程鍛壓時，操作機鉗架的下降速度跟隨壓機上砧的下降速度同步下行，防止發(fā)生故障。

圖8 2500 t 自由鍛壓機

另外，在操作機的鉗口與軸線不平行（鉗口的上、下傾斜，左、右移動等動作），且鉗口有夾持壓力時，系統(tǒng)保護壓機不執(zhí)行壓下動作。各伺服閥，位移、旋轉傳感器參與的聯(lián)機控制，對設備起到保護作用。

2 2WRCE125D 伺服閥故障分析與處理

2.1 案例1

（1）故障現(xiàn)象：壓機加壓時串壓。

（2）原因分析：若監(jiān)測出伺服閥開口度相差大于10%，會導致主閥在加壓時不能同時關閉，部分高壓油從高壓管道串向低壓管道。問題有以下4 點：①油液清潔度下降，噴嘴噴射量不足，導致4WS2EM 16-2X 先導伺服閥閥芯卡滯，進而影響主閥閥芯的位移；②先導伺服閥擋板的斷裂，導閥閥芯工作異常（圖9）；③主閥閥芯密封損壞，造成的各油腔之間串高壓油；④閥體內部各零件接觸面的密封失效、微量的滲漏，導致機能未完全實現(xiàn)。

圖9 斷裂的擋板（左側）

（3）處理措施：①對系統(tǒng)的油品進行檢測，通過更換系統(tǒng)循環(huán)、預壓、先導油路的過濾器濾芯，介質等手段提升油品質量。嚴格按照控制油口“X”油路的最大允許污染度是NAS 7 級，“P”油路是9 級的標準執(zhí)行。將噴嘴拆下，采用CCL4 或丙酮對油口通道進行浸泡、清洗，達到3 μm 的過濾精度；②更換相同型號的擋板；③解體主閥，以更換格萊圈為例，準確地更換密封件。如圖10所示，設計內孔錐面過渡、表面光滑的硬質開口塑料環(huán)或尼龍環(huán)，涂以稀油，使格萊圈的外徑從錐面大徑向小徑逐步收縮，完整地進入閥體內部。解決青銅密封進入腔體時易切邊損壞，且未能及時發(fā)現(xiàn)造成重復檢修；④定期對各零件配合面的密封件進行更換，密封硬度選用NBR90 以上。

圖10 密封安裝

2.2 案例2

（1）故障現(xiàn)象：①力矩馬達線圈老化；②給定和反饋數(shù)據(jù)失真；③個別零件損壞（如圖11 測量機構導向桿A 處斷裂）。

圖11 測量機構導向桿斷裂

（2）處理方案：①發(fā)現(xiàn)零部件損壞，用相同型號的備件替代，以保證匹配性；②增加屏蔽線，避免信號干擾；③針對主閥閥芯測量裝置導向桿A 處斷裂的處理：因導向桿與密封座之間螺紋連接處壁厚較薄，重新加工精度要求高、難度大。利用光譜儀測定材料成分為316 不銹鋼，為防止焊接應力居中、變形，影響導向桿與密封座的同軸度。通過制作工裝夾持導向桿和密封座，氬弧焊陶瓷頭遮擋弧光、手工對稱點焊焊接的方式解決問題。

3 伺服閥的改進

伺服閥的改進主要包括結構優(yōu)化設計、加工工藝改進、材料更替、測試方法改變等方面。

3.1 結構優(yōu)化設計

（1）伺服閥被污染是導致伺服閥失效的主要原因。為此，許多廠家研制出閥體先導油入口前置過濾器。

（2）通過改進控制油口的進油方式來增強介質的抗污染性，常采用射流管式、偏導射流式等結構。

（3）閥芯兩端增設雙余度或多余度傳感器，用來檢測閥芯位置，一旦出現(xiàn)故障信號，可立即切換備用伺服閥，提高系統(tǒng)的可靠性。

（4）體積小，便于與其他控制閥配套安裝。

3.2 加工工藝的改進

采用先進的工藝提升閥體的性能，閥芯精度、配合間隙的控制，多采用自動化程度較高的配套設備，減少人為因素的不穩(wěn)定性。

3.3 材料的優(yōu)化

（1）閥體材料選型，既要滿足壓力等級的強度要求，又要有良好的可塑性，便于加工，達到精度要求。

（2）閥芯材料要求剛性好、強度高、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小。

（3）擋板的材料除了選強度高、韌性好的金屬材料外，也可選用硬度高的非金屬材料，例如4WS2EM 16-2X/型伺服閥的擋板前端采用鑲嵌紅寶石材料。

（4）密封材料多根據(jù)密封的形式選擇聚四氟乙烯、青銅復合材等，要求材料的硬度、耐磨性、抗老化、耐腐蝕強，減少對介質的污染。

（5）三級比例閥位移傳感器測量裝置中的導桿需要使用強度高、韌性好的不銹鋼材料，噴涂防磁涂層進行屏蔽，減少對感應信號的干擾。

3.4 控制、監(jiān)測系統(tǒng)

近年來，隨著計算機輔助系統(tǒng)的廣泛應用，結合各種測量裝置、反饋裝置、操作系統(tǒng)、工業(yè)分析軟件，準確地得到設備運行關鍵要素相關數(shù)據(jù)，并采用各種運算手段從中篩取正確的監(jiān)測數(shù)據(jù)（如數(shù)字濾波，正弦輸入等）加以分析、處理，及時反饋至報警界面，為操作、維護人員提高更加詳盡的理論支持，更為準確地評估設備的狀態(tài)，制訂相應的措施。對于航天領域等重要行業(yè)，自動化、智能化程度更高，多余度控制的伺服閥的參與，減少人員的傷害和設備的損壞。