電液動執(zhí)行器性能比較

                         上海申弘閥門有限公司

    0 電液動執(zhí)行器性能比較引言
        之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹執(zhí)行器作為一種動力裝置，綜合了氣動、液壓、控制、機(jī)電、計(jì)算機(jī)、通信等技術(shù)，可以快速、穩(wěn)定地對被控對象的位置進(jìn)行控制，不僅應(yīng)用于各種閥門的驅(qū)動、控制中，而且現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在電力、水利、冶金、造紙、航天、管線、石化、工業(yè)裝備、食品加工等領(lǐng)域眾多需要動力驅(qū)動的部位[1，2]。按所用驅(qū)動能源形式劃分，執(zhí)行器可分為氣動執(zhí)行器、電動執(zhí)行器和電液執(zhí)行器。
        電液執(zhí)行器將控制模塊和液壓動力模塊集成一體，分為直行程、角行程兩種。控制模塊發(fā)出指令到智能可控電動機(jī)或伺服閥，控制液壓動力模塊以線性位移（或角位移）輸出力（或力矩），驅(qū)動被控對象，并通過位移反饋完成調(diào)節(jié)過程，實(shí)現(xiàn)各種功能控制。
        目前市場上使用zui多的電液執(zhí)行器一般可分為兩種：一種是伺服閥控制式電液執(zhí)行器，即傳統(tǒng)的電液伺服執(zhí)行器，通常采用開式循環(huán)液壓系統(tǒng)，通過控制伺服閥調(diào)節(jié)液壓油流動方向及流量大小，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，如德國的Reineke電液執(zhí)行器；另一種是電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器，采用閉式循環(huán)液壓系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來控制雙向泵壓力油輸出方向和流量，對被控對象進(jìn)行調(diào)控，如韓國RPM、美國REXA等電液執(zhí)行器。
        1 電液執(zhí)行器與氣動及電動執(zhí)行器的比較
        氣動執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是統(tǒng)一的整體，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有薄膜式、活塞式、撥叉式和齒輪齒條式。采用氣體做動力介質(zhì)，zui大的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，對使用環(huán)境要求低，可應(yīng)用于易燃易爆的工作場合。但由于氣體的可壓縮性，剛度相對較低的氣動執(zhí)行器響應(yīng)較慢，分辨率欠佳，控制精度低，抗偏差能力較差，應(yīng)用在動態(tài)力或摩擦較大情況下時，極易引起設(shè)備的不良振動。且其能-重比差，功率密度低，較大驅(qū)動力的氣動執(zhí)行器極其復(fù)雜、笨重而昂貴。雖然在高精度控制方面不足，但由于氣動執(zhí)行器安全，易于操作、維護(hù)，初始投資省，有較高性價(jià)比，在化工、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。
        電動執(zhí)行器又稱電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使用單相或三相電動機(jī)驅(qū)動齒輪或蝸輪蝸桿輸出直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。電動執(zhí)行器可輸出相對恒定的驅(qū)動力，高度穩(wěn)定，抗偏差能力強(qiáng)，控制精度要比氣動執(zhí)行器高，不用借助其他輔助系統(tǒng)可自動保位，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)生故障，維護(hù)費(fèi)用高，調(diào)節(jié)過于頻繁會引起電動機(jī)發(fā)熱，減速齒輪易磨損。此外，電動執(zhí)行器運(yùn)行緩慢，難于實(shí)現(xiàn)大驅(qū)動力，且存在過載保護(hù)實(shí)現(xiàn)困難、不良位置等問題[3]。電動執(zhí)行器開/關(guān)操作，主要應(yīng)用于動力廠或核動力廠。
        電液執(zhí)行器集成了電動操作的簡易性、液壓的動力快速、固態(tài)電子的可靠性和用戶配置的靈活性，具有響應(yīng)速度快、控制精度高、輸出功率大、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。電液執(zhí)行器克服了氣動執(zhí)行器的控制精度低、電動執(zhí)行器的可控性差等問題，在一定的應(yīng)用場合和工作環(huán)境下，具有*的優(yōu)勢，因而廣泛應(yīng)用在電廠、石化等比較特殊的場合。表1對三種執(zhí)行器在驅(qū)動力、控制精度等方面進(jìn)行了比較。
表1 氣動、電動、電液執(zhí)行器的比較

        2 電液動執(zhí)行器性能比較電液執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及原理
        2.1 傳統(tǒng)電液伺服執(zhí)行器
       上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥 傳統(tǒng)電液伺服執(zhí)行器將油源站與電液伺服系統(tǒng)集成為一體[4]，所有部件如電動機(jī)-泵單元、伺服或比列控制閥、液壓缸、位置反饋組件、壓力表、液位和溫度報(bào)警傳感器、過濾器、溢流閥、單向閥等都安裝在容器內(nèi)部。電動機(jī)通常為鼠籠式異步電動機(jī)，性能穩(wěn)定，可滿足電液伺服執(zhí)行器各工況要求，且價(jià)格較低。伺服閥為電液伺服執(zhí)行器的控制核心，既是電液轉(zhuǎn)換元件，又是功率放大元件，其功用是將小功率的電信號輸入轉(zhuǎn)換為大功率液壓能（壓力和流量）輸出，能夠?qū)敵隽髁亢蛪毫M(jìn)行連續(xù)雙向控制，從而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行器位移、速度、加速度和力的控制，動態(tài)響應(yīng)速度快，控制精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛用于快速高精度的各類機(jī)械設(shè)備的液壓閉環(huán)控制中[5]。
        依據(jù)伺服閥壓力油源供給方式的不同，電液伺服執(zhí)行器通常又有兩種：一種是采用雙泵供油，電動機(jī)不停的工作，伺服閥始終有壓力油供給，以此來保證系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性，如Reineke電液執(zhí)行器，其液壓原理如圖1所示。另一種采用單泵-蓄能器組合作為伺服閥壓力油源，其簡化液壓原理如圖2所示。

        圖1所示雙泵供油電液伺服執(zhí)行器依靠電動機(jī)2驅(qū)動雙聯(lián)泵3經(jīng)過過濾器8和伺服閥10將液壓油送入動力液壓缸14中。泵3.2供油到伺服閥，當(dāng)有小的控制偏差時也供油到動力液壓缸。當(dāng)控制偏差小時，泵3.1由液控?fù)Q向閥5和溢流閥6控制轉(zhuǎn)換到循環(huán)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)其卸荷。在要求大容量動作的情況下，泵3.1也供油到動力液壓缸。這樣的組合，一方面可確保在大的控制偏差下有足夠的油量使活塞以所需要的速度運(yùn)行；另一方面，保證僅提供所需要的油量來滿足要求，避免無功損耗和過多的發(fā)熱；zui重要的是執(zhí)行器工作時伺服閥始終有壓力油源，可保證其調(diào)節(jié)控制響應(yīng)速度。
        測壓點(diǎn)7處接壓力表可檢測液壓泵的輸出油壓，單向閥4實(shí)現(xiàn)雙泵合流，雙向液壓鎖11可實(shí)現(xiàn)動力液壓缸保位，雙單向節(jié)流閥12為回油節(jié)流調(diào)速。雙向液壓鎖、雙單向節(jié)流閥可根據(jù)使用情況來決定是否應(yīng)用。單泵-蓄能器供油電液伺服執(zhí)行器依據(jù)泵和蓄能器規(guī)格、伺服閥油源、工作方式的不同又可分為兩種：一種是采用定量泵-溢流閥作定壓油源；另一種是采用定量泵-蓄能器-卸荷閥作油源。
        定量泵-溢流閥式執(zhí)行器（無壓力繼電器）工作時電動機(jī)2不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，通過定壓溢流閥5的溢流使供油壓力恒定，結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)迅速，壓力變動小。液壓源的流量按系統(tǒng)控制流量確定，系統(tǒng)效率低，發(fā)熱和溫升大。利用蓄能器可減小泵的規(guī)格，降低系統(tǒng)壓力波動和負(fù)載流量變化對油源壓力的影響[6]。一般適用于中低壓電液伺服執(zhí)行器。
        定量泵-蓄能器-卸荷閥式執(zhí)行器工作時，當(dāng)蓄能器內(nèi)的油壓達(dá)到壓力繼電器8.1設(shè)計(jì)上*，電動機(jī)2停止運(yùn)轉(zhuǎn)，靠蓄能器12儲存的高壓油來維持執(zhí)行器的工作，一旦蓄能器內(nèi)的油壓降到8.1下限，電動機(jī)自動啟動，向蓄能器補(bǔ)充高壓油，如文獻(xiàn)[4]中所介紹的自容式電液執(zhí)行器。過于頻繁啟動會降低電動機(jī)和泵的壽命，根據(jù)使用情況，供油壓力變動范圍也可由壓力繼電器8.2通過卸荷溢流閥5和電磁閥6控制，泵卸荷時，由蓄能器保壓供油。該系統(tǒng)供油壓力在一定范圍內(nèi)波動，一般的電液伺服執(zhí)行器均可適用。可根據(jù)使用情況選用或棄用一些液壓元件，比如圖2中雙單向節(jié)流閥。
        上邊所述電液伺服執(zhí)行器均為閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖3為其控制方框圖。

圖3 電液伺服執(zhí)行器控制方框圖

        目標(biāo)位置指令信號和位移傳感器反饋信號比較后產(chǎn)生的偏差信號經(jīng)伺服放大器放大后輸出一個與偏差信號成一定函數(shù)關(guān)系的控制電流驅(qū)動伺服閥，調(diào)節(jié)液壓油流動方向及流量大小，控制液壓缸按方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對被控對象的調(diào)節(jié)，直到指令信號和反饋信號偏差為零或在容許范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)過程才會停止。
        2.2 電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器
        市場上電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器無論是液壓系統(tǒng)、控制方式還是工作過程都大同小異，均采用步進(jìn)電動機(jī)或伺服電動機(jī)、高精度雙向齒輪泵、液壓缸、油箱、反饋組件等。所有組件均與外部獨(dú)立、封閉，高度集成，模塊化、小型化設(shè)計(jì)[2，7]。
        電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器簡化液壓原理如圖4所示，為閉式循環(huán)液壓系統(tǒng)，采用等量泵入/吐出原理進(jìn)行工作，效率較高[8]。當(dāng)執(zhí)行器得到液壓缸活塞向上移動的指令信號時，伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)2驅(qū)動液壓泵3旋轉(zhuǎn)，泵B口輸出的壓力油經(jīng)液控單向閥進(jìn)入雙作用液壓缸8下腔，推動活塞上移，同時，液壓缸上腔回油直接作用在液壓泵的吸入口A上，回油背壓變?yōu)橥苿右簤罕眯D(zhuǎn)的動力，可減少電動機(jī)的功率消耗[9]；當(dāng)?shù)玫较喾吹闹噶钚盘枙r，電動機(jī)驅(qū)動液壓泵反向旋轉(zhuǎn)，壓力油推動活塞下移；當(dāng)活塞移動到預(yù)定位置時，電動機(jī)及液壓泵停轉(zhuǎn)，雙向液壓鎖6確保動力液壓缸原位鎖定。電液執(zhí)行器油壓超過溢流閥7設(shè)定壓力時，溢流閥開啟溢流，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。由于泄漏、溢流等因素引起循環(huán)液壓油不足時，系統(tǒng)會產(chǎn)生一定真空，油箱的液壓油經(jīng)過濾器4、單向閥5等被吸入液壓泵低壓吸油口，補(bǔ)充系統(tǒng)液壓油損失，防止氣穴等現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器液壓原理

        與電液伺服執(zhí)行器不同，目標(biāo)指令信號與位置反饋信號比較放大后控制的是伺服電動機(jī)或步進(jìn)電動機(jī)，圖5為其控制方框圖，通過控制電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)雙向定量泵的轉(zhuǎn)向和流量輸出。

圖5 電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器控制方框圖

        根據(jù)設(shè)置時確定的行程和信號范圍，位置控制處理器把外部送入的指令信號轉(zhuǎn)化為目標(biāo)位置，執(zhí)行器的當(dāng)前位置通過裝在執(zhí)行器上的位移傳感器測定。目標(biāo)位置和當(dāng)前位置的差值為控制偏差，如果偏差超出了用戶設(shè)定的死區(qū)，執(zhí)行器將啟動電動機(jī)，驅(qū)動液壓泵旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)執(zhí)行器輸出到預(yù)定位置，運(yùn)動到位后電動機(jī)及泵停轉(zhuǎn)[1]。
        3 電液執(zhí)行器的應(yīng)用分析
        高精度的電液伺服執(zhí)行器輸出推力大，全行程時間短，響應(yīng)快，控制精度高，無超調(diào)，運(yùn)行非常平穩(wěn)，適合于高壓差、高黏度介質(zhì)等嚴(yán)酷工況條件。但其往往需要配套使用一個液壓站或者帶一套伺服控制系統(tǒng)，體積龐大，對液壓油清潔度要求高，往往存在泄漏等問題，而且生產(chǎn)成本、使用成本（能耗和維護(hù)費(fèi)用）高。因而僅在少數(shù)需要大驅(qū)動力或高精度連續(xù)調(diào)節(jié)控制的時候才使用。
        和傳統(tǒng)電液伺服執(zhí)行器相比，電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器，體積小、重量輕，安裝、使用方便，生產(chǎn)、使用成本低，只在需要調(diào)節(jié)時電動機(jī)和泵才會啟動。性能*，能達(dá)到電液伺服執(zhí)行器大多數(shù)指標(biāo)。雖然電動機(jī)控制式電液執(zhí)行器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在大功率、大行程、大慣量、復(fù)雜的特性補(bǔ)償方面無法實(shí)現(xiàn)，而傳統(tǒng)的電液伺服執(zhí)行器則有明顯的優(yōu)勢[1]。

        4 結(jié)論
        在不同的應(yīng)用環(huán)境下，氣動、電動、電液執(zhí)行器各有自己的優(yōu)勢，本文總結(jié)了三種執(zhí)行器的優(yōu)缺點(diǎn)，并以伺服閥控制式和電動機(jī)控制式兩種類型電液執(zhí)行器為例，從液壓原理、控制方式、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用等方面作了詳細(xì)的比較分析，對執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和使用有一定的實(shí)用價(jià)值。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有角式平衡型截止閥設(shè)計(jì)說明