Tendencia de desarrollo de servoválvula electrohidráulica

En la actualidad, la tendencia de desarrollo de la nueva tecnología de servoválvulas electrohidráulicas se refleja principalmente en el diseño de nuevas estructuras, el uso de nuevos materiales y la combinación de electrónica, digitalización y tecnología hidráulica. El desarrollo de la tecnología de servoválvulas electrohidráulicas ha promovido en gran medida el desarrollo de la tecnología de control hidráulico. En la década de 1990, los países extranjeros lograron grandes logros en el desarrollo de servoválvulas electrohidráulicas de acción directa. En la actualidad, se ha formado una serie de productos, incluidas las válvulas de acción directa de las series D633 y D634 de Moog, la LFDC5V de EatonVickers, la NC10 de Bosch de Alemania, la válvula MK desarrollada conjuntamente por Mitsubishi y KYB Co., Ltd. de Japón, y la válvula directa. válvula de actuación desarrollada conjuntamente por Moog y la fábrica rusa Vohod. Este tipo de servoválvula elimina la etapa previa de las servoválvulas ordinarias, utiliza un motor de torsión de alta potencia para impulsar directamente el núcleo de la válvula y utiliza un sensor de desplazamiento del núcleo de la válvula de alta precisión como retroalimentación. La característica más importante de esta válvula es que no hay preetapa, lo que mejora la capacidad anticontaminación de la servoválvula. Al mismo tiempo, dado que se eliminan muchas piezas difíciles de mecanizar, el costo de procesamiento se reduce y puede usarse ampliamente en aplicaciones de servocontrol industrial. Algunas unidades nacionales, como el 18.º Instituto de Investigación de la Academia China de Tecnología de Vehículos de Lanzamiento, el Instituto de Investigación de Máquinas Herramienta de Beijing, la Universidad Tecnológica de Zhejiang, etc., también han desarrollado prototipos de productos relacionados. En particular, la Universidad de Beihang ha desarrollado una servoválvula electrohidráulica de acción directa con válvula rotativa. En este tipo de servoválvula, la estructura deslizante de la válvula de corredera de la servoválvula ordinaria se convierte en la rotación de la válvula de corredera, y en la válvula se abren correspondientemente una serie de ranuras deslizantes con un cierto ángulo de inclinación con respecto a la dirección axial. núcleo y manguito de válvula. Cuando el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula giran entre sí, las ranuras deslizantes se abren o cierran entre sí, controlando así la presión o el flujo de salida. Dado que el núcleo de la válvula y el manguito de la válvula giran entre sí durante el funcionamiento, la resistencia a la fricción de la válvula durante el funcionamiento se reduce, es menos probable que se acumulen contaminantes en la válvula de corredera giratoria y se mejora el rendimiento anticontaminación. Además, Park también ha desarrollado la tecnología "Voice Coil Drive" (VCD) y la válvula de control DFplus basada en esta tecnología. La denominada tecnología de accionamiento por bobina móvil, como su nombre indica, es un dispositivo de accionamiento similar a un altavoz. Su estructura básica es una bobina móvil colocada sobre un imán permanente cilíndrico fijo. Cuando se introduce una corriente de señal en la bobina, bajo la acción del electromagnetismo, se genera una fuerza axial correspondiente a la corriente de señal en la bobina, que impulsa el movimiento del núcleo de la válvula directamente conectado a la bobina, y la fuerza impulsora es muy grande. El sensor de retroalimentación de desplazamiento está integrado en la bobina, por lo que la válvula DFplus accionada por VCD es esencialmente un control de circuito cerrado con una linealidad bastante buena. Además, dado que las partes móviles de la unidad VCD son sólo bobinas móviles, la inercia es muy pequeña y no hay soporte entre las partes relativamente móviles. Todo el soporte de la válvula DFplus es la superficie de contacto entre el núcleo de la válvula y el cuerpo de la válvula, lo que reduce en gran medida el impacto de la fricción, un factor no lineal, en la calidad del control. Combinando las características técnicas anteriores y el módulo de control digital incorporado, la válvula DFplus tiene un buen rendimiento de control, especialmente en términos de respuesta de frecuencia, que puede alcanzar 400 Hz. Desde la perspectiva de las tendencias de desarrollo, las nuevas servoválvulas electrohidráulicas de acción directa tienden a reemplazar las servoválvulas tradicionales en algunas industrias, especialmente las servoválvulas deflectoras de boquilla. Sin embargo, sus mayores problemas son que son de gran tamaño y pesados. y solo son adecuados para ocasiones de servocontrol industrial con bajos requisitos de sitio. Si se puede reducir su peso y volumen, también tiene un gran potencial de desarrollo en campos militares como la aviación y el aeroespacial.

Además, en los últimos años, además del accionamiento directo de motores torque, también han surgido nuevos métodos de accionamiento de servoválvulas, como motores paso a paso, servomotores, nuevos electroimanes, servoválvulas con luz directa. estructuras de conversión a líquido, etc. La aplicación de estas nuevas tecnologías no solo mejora el rendimiento de las servoválvulas, sino que también abre nuevas ideas para el desarrollo de servoválvulas e inyecta nueva vitalidad a la tecnología de servoválvulas electrohidráulicas. En la actualidad, la aplicación de nuevos materiales en el campo del desarrollo de servoválvulas electrohidráulicas es principalmente el desarrollo de convertidores basados ​​en elementos piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos gigantes y aleaciones con memoria de forma. Cada uno tiene sus propias características excelentes.

2.1 Elementos piezoeléctricos

La característica de los elementos piezoeléctricos es el "efecto piezoeléctrico": bajo la acción de un determinado campo eléctrico, la forma y el tamaño cambiarán, y se producirá la deformación. dentro de un cierto rango, la cantidad es proporcional a la intensidad del campo eléctrico. Los principales materiales de los elementos piezoeléctricos son la cerámica piezoeléctrica (PZT) y los materiales electroestrictivos (PMN). Un material cerámico piezoeléctrico típico es la cerámica estirable piezoeléctrica laminada de la empresa TOKIN de Japón. El principio de la servoválvula de acción directa PZT es que los dos extremos del núcleo de la válvula están conectados a dos elementos piezoeléctricos multicapa a través de bolas de acero. El material piezoeléctrico se expande y contrae, lo que hace que el núcleo de la válvula se mueva a través del efecto piezoeléctrico. Consiguiendo así la conversión electromecánica.

La servoválvula deflectora de boquilla PMN está equipada con un deflector conectado fijamente a la pila piezoeléctrica en la boquilla. El espacio entre el deflector y la boquilla aumenta o se reduce mediante la expansión y contracción de la pila piezoeléctrica, de modo que en ambos extremos de la boquilla. núcleo de la válvula Se genera una diferencia de presión para empujar el núcleo de la válvula a moverse. En la actualidad, el desarrollo de convertidores eléctricos piezoeléctricos ha madurado y se ha utilizado ampliamente. Tiene las características de una respuesta de frecuencia rápida y el ancho de banda de la servoválvula puede incluso alcanzar varios miles de hercios. Sin embargo, también tiene las desventajas de una gran histéresis y una fácil deriva, lo que restringe la aplicación adicional de componentes piezoeléctricos en los servos electrohidráulicos. válvulas.

2.2 Materiales magnetoestrictivos gigantes

En comparación con los materiales magnetoestrictivos tradicionales, los materiales magnetoestrictivos gigantes (GMM) pueden producir longitudes o longitudes mucho mayores bajo la acción de un campo magnético. La servoválvula de acción directa desarrollada utilizando un convertidor GMM conecta el convertidor GMM al núcleo de la válvula y controla el flujo de salida de la servoválvula controlando la corriente de la bobina impulsora, haciendo que el GMM se expanda y contraiga, y accionando la válvula. núcleo para moverse. En comparación con las servoválvulas tradicionales, esta válvula no solo tiene las características de respuesta de alta frecuencia, sino que también tiene las ventajas de alta precisión y estructura compacta. Actualmente, Estados Unidos, Suecia y Japón se encuentran a la cabeza en el desarrollo y aplicación de GMM. La Universidad de Zhejiang en China utilizó la tecnología GMM para diseñar la estructura de la válvula de aleta de boquilla neumática y la potente válvula solenoide de alta velocidad del sistema de inyección de combustible del motor de combustión interna y estudió sus características. A juzgar por la situación actual, los materiales GMM tienen las características de gran tensión, alta densidad de energía, velocidad de respuesta rápida y gran fuerza de salida en comparación con los materiales piezoeléctricos y los materiales magnetoestrictivos tradicionales. Países de todo el mundo conceden gran importancia a la investigación de convertidores electromecánicos GMM y tecnologías relacionadas. El nivel técnico de GMM se ha desarrollado rápidamente y gradualmente ha entrado en la etapa de desarrollo del mercado desde la etapa de desarrollo de laboratorio. En el futuro, es necesario resolver problemas como la deformación térmica, la anisotropía magnetocristalina, la corrosión del material, el proceso de fabricación y la coincidencia de parámetros del GMM antes de que pueda utilizarse ampliamente en campos de alta tecnología.

2.3 Aleación con memoria de forma

La aleación con memoria de forma se caracteriza por su efecto de memoria de forma. Después de moldearlo a alta temperatura, se enfría a baja temperatura y se le aplica una fuerza externa. Generalmente, el metal se deformará permanentemente después de exceder su deformación elástica, pero el SMA restaurará su forma original a alta temperatura después de calentarlo por encima de cierta temperatura. La servoválvula desarrollada aprovechando sus características es agregar un conjunto de actuadores SMA envueltos con una aleación con memoria de forma en ambos extremos del núcleo de la válvula. Los actuadores SMA son accionados por calentamiento y enfriamiento, de modo que la aleación con memoria de forma está en ambos extremos. del núcleo de la válvula puede estirarse o contraerse, impulsa el movimiento del núcleo de la válvula y aumenta la retroalimentación de posición para mejorar el rendimiento de control de la servoválvula. Desde la perspectiva de la válvula, aunque la deformación de SMA es grande, la velocidad de respuesta es lenta y la deformación es discontinua, lo que también limita su rango de aplicación.

En comparación con las servoválvulas tradicionales, las servoválvulas desarrolladas utilizando convertidores electromecánicos de nuevos materiales generalmente tienen las ventajas de una respuesta de alta frecuencia, alta precisión y estructura compacta. Aunque todavía quedan algunas tecnologías clave por resolver, la aplicación y el desarrollo de nuevos materiales funcionales proporcionan nuevas vías para el desarrollo tecnológico de las servoválvulas electrohidráulicas. En la actualidad, existen dos formas principales de aplicar tecnología electrónica y digital a la tecnología de servoválvula electrohidráulica: una es agregar un dispositivo de conversión D/A al componente de control analógico de la servoválvula electrohidráulica para realizar su control digital. Con el desarrollo de la tecnología microelectrónica, se pueden instalar componentes de control dentro del cuerpo de la válvula y el rendimiento de la válvula se puede controlar mediante programas de computadora para lograr compensación digital y otras funciones. Sin embargo, los circuitos analógicos tienen problemas como la desviación del punto cero y la desviación de la temperatura, y es necesario agregar una interfaz de conversión D/A. En segundo lugar, válvula de control digital de acción directa. Al accionar el núcleo de la válvula con un motor paso a paso, la señal de entrada se convierte en una señal paso a paso del motor para controlar la salida de flujo de la servoválvula. La válvula tiene las ventajas de una estructura compacta, velocidad y posición controlables en circuito abierto, control digital directo, etc., y se usa ampliamente. Sin embargo, cuando se requiere control en tiempo real, como el método paso a paso tradicional, no puede tener en cuenta los requisitos de precisión de cuantificación y velocidad de respuesta. La Universidad Tecnológica de Zhejiang adopta el método de control de seguimiento continuo para eliminar la contradicción entre los dos y obtener buenas características dinámicas. Además, existen muchos productos de servoválvulas digitales que están formados por motores de torsión de CC que impulsan directamente el núcleo de la válvula para realizar control digital y otros métodos de control o cambios estructurales de la servoválvula.

Con el desarrollo de varios niveles técnicos, se adoptan nuevas tecnologías de sensores e informática para desarrollar nuevas servoválvulas inteligentes que integran maquinaria, electrónica, sensores y autogestión informática (diagnóstico y eliminación de fallos). Este tipo de servoválvula puede determinar el objetivo de control según las necesidades del sistema: velocidad, posición, aceleración, fuerza o presión. Según los requisitos de control, la misma servoválvula se puede configurar como servoválvula de control de flujo, servoválvula de control de presión o servoválvula de control compuesta de flujo/presión.

Además, los parámetros de control de la servoválvula, como la ganancia de flujo, las características de ganancia de flujo y el punto cero, se pueden configurar según el principio de optimización del rendimiento del control. La información de diagnóstico y los parámetros de control clave de la propia servoválvula (incluidos los parámetros del entorno de trabajo y los parámetros internos de la servoválvula) se pueden enviar al controlador principal a tiempo, la servoválvula se puede monitorear, diagnosticar y controlar de forma remota; Durante el proceso de depuración de la computadora host, la red de ingeniería de control tiene derechos de autor. Los parámetros de control de la servoválvula se pueden descargar a través del puerto de bus o configurar directamente desde la computadora host para lograr la mejor combinación entre la servoválvula y el sistema de control. y optimizar el rendimiento del control. La descarga y actualización de los parámetros de control de la servoválvula puede realizarse incluso mientras la computadora host está en funcionamiento. En el desarrollo de aplicaciones de servoválvulas y sistemas de control, la tecnología integrada se ha convertido en una realidad para las servoválvulas. Según los sistemas integrados, debe definirse como "un sistema informático dedicado integrado en el sistema de destino". La integración, la especialización y los sistemas informáticos son los tres elementos básicos de los sistemas integrados. Incorpora un chip de microprocesador dedicado y el sistema de control correspondiente en una servoválvula tradicional. De acuerdo con los requisitos de aplicación específicos del cliente, construye una servoválvula con parámetros de control óptimos y tareas de control correspondientes (como el control sincrónico de cada eje de control). Completado por el sistema de control de la propia válvula y luego integrado en todo el gran sistema de control hidráulico. De acuerdo con el desarrollo tecnológico actual y los requisitos del sistema de control hidráulico de la servoválvula, la red de ingeniería de control tiene derechos de autor y las funciones de autodiagnóstico y autoprueba de la servoválvula deben desarrollarse aún más.