电液执行器的比较分析

2017-04-01

  执行器作为一种动力装置,综合了气动、液压、控制、机电、计算机、通信等技术,可以快速、稳定地对被控对象的位置进行精确控制,不仅应用于各种阀门的驱动、控制中,而且现已广泛应用在电力、水利、冶金、造纸、航天、管线、石化、工业装备、食品加工等领域众多需要动力驱动的部位[1,2]。按所用驱动能源形式划分,执行器可分为气动执行器、电动执行器和电液执行器。
        电液执行器将控制模块和液压动力模块集成一体,分为直行程、角行程两种。控制模块发出指令到智能可控电动机或伺服阀,控制液压动力模块以线性位移(或角位移)输出力(或力矩),驱动被控对象,并通过位移反馈完成调节过程,实现各种功能控制。
        目前市场上使用最多的电液执行器一般可分为两种:一种是伺服阀控制式电液执行器,即传统的电液伺服执行器,通常采用开式循环液压系统,通过控制伺服阀调节液压油流动方向及流量大小,实现对被控对象的调节,如德国的Reineke电液执行器;另一种是电动机控制式电液执行器,采用闭式循环液压系统,通过调节步进电动机或伺服电动机的转向和转速来控制双向泵压力油输出方向和流量,对被控对象进行精确调控,如韩国RPM、美国REXA等电液执行器。
        1 电液执行器与气动及电动执行器的比较
        气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整体,其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条式。采用气体做动力介质,最大的优点是安全性高,对使用环境要求低,可应用于易燃易爆的工作场合。但由于气体的可压缩性,刚度相对较低的气动执行器响应较慢,分辨率欠佳,控制精度低,抗偏差能力较差,应用在动态力或摩擦较大情况下时,极易引起设备的不良振动。且其能-重比差,功率密度低,较大驱动力的气动执行器极其复杂、笨重而昂贵。虽然在高精度控制方面不足,但由于气动执行器安全,易于操作、维护,初始投资省,有较高性价比,在化工、航天等领域应用广泛。
        电动执行器又称电动执行机构,使用单相或三相电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆输出直线或旋转运动。电动执行器可输出相对恒定的驱动力,高度稳定,抗偏差能力强,控制精度要比气动执行器高,不用借助其他辅助系统可自动保位,但其结构复杂,易发生故障,维护费用高,调节过于频繁会引起电动机发热,减速齿轮易磨损。此外,电动执行器运行缓慢,难于实现大驱动力,且存在过载保护实现困难、不良位置等问题[3]。电动执行器最适合开/关操作,主要应用于动力厂或核动力厂。
        电液执行器集成了电动操作的简易性、液压的动力快速、固态电子的可靠性和用户配置的灵活性,具有响应速度快、控制精度高、输出功率大、结构紧凑等优点。电液执行器克服了气动执行器的控制精度低、电动执行器的可控性差等问题,在一定的应用场合和工作环境下,具有无可比拟的优势,因而广泛应用在电厂、石化等比较特殊的场合。表1对三种执行器在驱动力、控制精度等方面进行了比较。

表1 气动、电动、电液执行器的比较


        2 电液执行器结构及原理
        2.1 传统电液伺服执行器
        传统电液伺服执行器将油源站与电液伺服系统集成为一体[4],所有部件如电动机-泵单元、伺服或比列控制阀、液压缸、位置反馈组件、压力表、液位和温度报警传感器、过滤器、溢流阀、单向阀等都安装在容器内部。电动机通常为鼠笼式异步电动机,性能稳定,可满足电液伺服执行器各工况要求,且价格较低。伺服阀为电液伺服执行器的控制核心,既是电液转换元件,又是功率放大元件,其功用是将小功率的电信号输入转换为大功率液压能(压力和流量)输出,能够对输出流量和压力进行连续双向控制,从而实现对执行器位移、速度、加速度和力的控制,动态响应速度快,控制精度高,结构紧凑,广泛用于快速高精度的各类机械设备的液压闭环控制中[5]。
        依据伺服阀压力油源供给方式的不同,电液伺服执行器通常又有两种:一种是采用双泵供油,电动机不停的工作,伺服阀始终有压力油供给,以此来保证系统调节的快速性,如Reineke电液执行器,其液压原理如图1所示。另一种采用单泵-蓄能器组合作为伺服阀压力油源,其简化液压原理如图2所示。


        图1所示双泵供油电液伺服执行器依靠电动机2驱动双联泵3经过过滤器8和伺服阀10将液压油送入动力液压缸14中。泵3.2供油到伺服阀,当有小的控制偏差时也供油到动力液压缸。当控制偏差小时,泵3.1由液控换向阀5和溢流阀6控制转换到循环状态,实现其卸荷。在要求大容量动作的情况下,泵3.1也供油到动力液压缸。这样的组合,一方面可确保在大的控制偏差下有足够的油量使活塞以所需要的速度运行;另一方面,保证仅提供所需要的油量来满足要求,避免无功损耗和过多的发热;最重要的是执行器工作时伺服阀始终有压力油源,可保证其调节控制响应速度。
        测压点7处接压力表可检测液压泵的输出油压,单向阀4实现双泵合流,双向液压锁11可实现动力液压缸保位,双单向节流阀12为回油节流调速。双向液压锁、双单向节流阀可根据使用情况来决定是否应用。单泵-蓄能器供油电液伺服执行器依据泵和蓄能器规格、伺服阀油源、工作方式的不同又可分为两种:一种是采用定量泵-溢流阀作定压油源;另一种是采用定量泵-蓄能器-卸荷阀作油源。
        定量泵-溢流阀式执行器(无压力继电器)工作时电动机2不停地运转,通过定压溢流阀5的溢流使供油压力恒定,结构简单,反应迅速,压力变动小。液压源的流量按系统控制流量确定,系统效率低,发热和温升大。利用蓄能器可减小泵的规格,降低系统压力波动和负载流量变化对油源压力的影响[6]。一般适用于中低压电液伺服执行器。
        定量泵-蓄能器-卸荷阀式执行器工作时,当蓄能器内的油压达到压力继电器8.1设计上限时,电动机2停止运转,靠蓄能器12储存的高压油来维持执行器的工作,一旦蓄能器内的油压降到8.1下限,电动机自动启动,向蓄能器补充高压油,如文献[4]中所介绍的自容式电液执行器。过于频繁启动会降低电动机和泵的寿命,根据使用情况,供油压力变动范围也可由压力继电器8.2通过卸荷溢流阀5和电磁阀6控制,泵卸荷时,由蓄能器保压供油。该系统供油压力在一定范围内波动,一般的电液伺服执行器均可适用。可根据使用情况选用或弃用一些液压元件,比如图2中双单向节流阀。
        上边所述电液伺服执行器均为闭环控制系统,图3为其控制方框图。


图3 电液伺服执行器控制方框图


        目标位置指令信号和位移传感器反馈信号比较后产生的偏差信号经伺服放大器放大后输出一个与偏差信号成一定函数关系的控制电流驱动伺服阀,调节液压油流动方向及流量大小,控制液压缸按指定方向运动,实现对被控对象的调节,直到指令信号和反馈信号偏差为零或在容许范围之内,调节过程才会停止。
        2.2 电动机控制式电液执行器
        市场上电动机控制式电液执行器无论是液压系统、控制方式还是工作过程都大同小异,均采用步进电动机或伺服电动机、高精度双向齿轮泵、液压缸、油箱、反馈组件等。所有组件均与外部独立、封闭,高度集成,模块化、小型化设计[2,7]。
        电动机控制式电液执行器简化液压原理如图4所示,为闭式循环液压系统,采用等量泵入/吐出原理进行工作,效率较高[8]。当执行器得到液压缸活塞向上移动的指令信号时,伺服电动机或步进电动机2驱动液压泵3旋转,泵B口输出的压力油经液控单向阀进入双作用液压缸8下腔,推动活塞上移,同时,液压缸上腔回油直接作用在液压泵的吸入口A上,回油背压变为推动液压泵旋转的动力,可减少电动机的功率消耗[9];当得到相反的指令信号时,电动机驱动液压泵反向旋转,压力油推动活塞下移;当活塞移动到预定位置时,电动机及液压泵停转,双向液压锁6确保动力液压缸原位锁定。电液执行器油压超过溢流阀7设定压力时,溢流阀开启溢流,实现过载保护。由于泄漏、溢流等因素引起循环液压油不足时,系统会产生一定真空,油箱的液压油经过滤器4、单向阀5等被吸入液压泵低压吸油口,补充系统液压油损失,防止气穴等现象的发生。


图4 电动机控制式电液执行器液压原理


        与电液伺服执行器不同,目标指令信号与位置反馈信号比较放大后控制的是伺服电动机或步进电动机,图5为其控制方框图,通过控制电动机转向和转速来调节双向定量泵的转向和流量输出。


图5 电动机控制式电液执行器控制方框图


        根据设置时确定的行程和信号范围,位置控制处理器把外部送入的指令信号转化为目标位置,执行器的当前位置通过装在执行器上的位移传感器测定。目标位置和当前位置的差值为控制偏差,如果偏差超出了用户设定的死区,执行器将启动电动机,驱动液压泵旋转,调节执行器输出到预定位置,运动到位后电动机及泵停转[1]。
        3 电液执行器的应用分析
        高精度的电液伺服执行器输出推力大,全行程时间短,响应快,控制精度高,无超调,运行非常平稳,适合于高压差、高黏度介质等严酷工况条件。但其往往需要配套使用一个液压站或者带一套伺服控制系统,体积庞大,对液压油清洁度要求高,往往存在泄漏等问题,而且生产成本、使用成本(能耗和维护费用)高。因而仅在少数需要大驱动力或高精度连续调节控制的时候才使用。
        和传统电液伺服执行器相比,电动机控制式电液执行器,体积小、重量轻,安装、使用方便,生产、使用成本低,只在需要调节时电动机和泵才会启动。性能优越,能达到电液伺服执行器大多数指标。虽然电动机控制式电液执行器有诸多优点,但在大功率、大行程、大惯量、复杂的特性补偿方面无法实现,而传统的电液伺服执行器则有明显的优势[1]。
        4 结论
        在不同的应用环境下,气动、电动、电液执行器各有自己的优势,本文总结了三种执行器的优缺点,并以伺服阀控制式和电动机控制式两种类型电液执行器为例,从液压原理、控制方式、结构、性能、应用等方面作了详细的比较分析,对执行器的设计和使用有一定的实用价值。


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