漫談液壓閥發展簡史與趨勢
流體傳動與控制技術發展至今已成為一門較成熟的應用技術。它憑借功率密度大、布局靈活、傳動平穩、無級調速等特點,在工業領域的應用越來越廣泛。作為液壓系統的控制元件,液壓閥的發展具有兩面性:一方面他制約著流體技術的發展,另一方面他也對流體傳動與控制技術發展起導向作用。
回顧液壓閥的發展,其有著漫長的歷史,再次回顧液壓閥的發展歷史,認識其發展規律,總結其發展方向,有助于展望其未來的發展趨勢。
液壓閥最早的原型是閥門,閥門最早出現于水利和治水工程,此時的閥門主要用來截止水流、或者改變水流方向。既不追求嚴格的密封性能和流量調節,也沒有壓力調節的概念。
后來隨著蒸汽技術的出現,為保證鍋爐的安全使用,出現了類似安全閥的裝置來實現壓力保護。從而將壓力調節的概念引入到流體技術中。
十八世紀七十年代,蒸汽技術取得了突破性發展。蒸汽機的發明使閥門進入了機械工程領域,在瓦特的蒸汽機上除了使用旋塞閥、安全閥和止回閥外,還是用了蝶閥,可以調節流量。隨著蒸汽機流量和壓力的增大,使用旋塞閥控制蒸汽機的進氣和排氣已不能滿足需要,于是出現了滑閥?;y的出現對液壓傳動技術來說具有重要的意義,基于滑閥可以實現方向控制,也可以實現流量調節。方向控制和流量調節的實現擴廣了流體傳動技術的應用領域。如果此前只是在單純的利用流體傳動,那么現在可以主動地對流體傳動進行控制。
十九世紀是液壓氣動技術走向工業應用的世紀。工業革命以來的社會產業需求刺激了液壓技術及元件方面的不斷進步,此時傳統的開關閥發展已相當成熟,各種壓力閥、流量閥、方向閥相繼出現。
二十世紀伴隨著制造業、冶金鋼鐵、石油礦業等領域的發展,將流體傳動與控制技術的應用推向了頂峰:
1936年Harry Vickers 發明了以先導控制壓力閥為標志的管式系列液體控制元件,之后簡單的通斷式液壓控制閥問世,為工業的發展提供了強大的動力源。但是他們組成的回路和系統,在控制的功能、精度及動作時間方面,往往不能滿足某些使用場合的要求。
50年代,線性控制理論的形成對液壓控制技術的發展產生了深刻影響。由于航空航天伺服控制系統的實踐需要,電液伺服元件及系統相繼問世,液伺服閥是電子和液壓兩門技術結合,能滿足自動控制更高要求。具有控制精度高、響應速度快、體積小,由于需要反饋回路,系統較復雜,元件及整個系統的造價昂貴,且工作條件要求嚴格,這給使用和維護帶來很大困難。
60年代后期,各類民用工程對電液控制技術的需求,顯得更加迫切和廣泛,這些液壓系統通常只希望采用較簡易的電氣裝置,來實現對精度和響應速度要求不太高的控制。并且大多數都是不要求反饋的開環控制。另外希望它們對液壓系統污染控制要求不很高,滿足工作可靠、使用維修簡單的目的。比例控制閥正是根據這種需要產生,它在通斷式控制元件和伺服控制元件的基礎上發展起來的一種新型的電-液控制元件。
隨著工業液壓的發展,要求液壓系統的模塊化、集成化布置,從而出現了板式以及疊加式液壓元件,從而使液壓技術的發展進入了一個新的階段。它使液壓系統結構緊湊,減少閥間的管道連接,便于安裝、使用和維修。但是,用這些常用的液壓閥構成的集成系統的各種方式,僅對小流量的液壓系統能收到較為良好的效果,對中、大流量系統,還只能采用管道進行閥間連接,組成系統。由于流量大,管道粗,因此配管工作量大,安裝、維修困難,且易出現漏油、振動等弊病,這就構成了液壓技術發展中的一個難題。
70年代初,液壓邏輯閥(兩通插裝閥)出現解決了大流量液壓系統的應用問題,它不僅能實現常用液壓控制閥的各種動作要求,而且和普通的液壓閥相比,在控制同等功率的情況下,具有重量輕,體積小,功率損失小,動作速度快和易于集成等突出的優點,特別適用于大流量液壓系統的控制和調節。
80年代的主要進展是比例技術和二通插裝技術相結合形成了一系列二通比例壓力、流量、方向控制組件,配以各種參數檢測反饋和電子或微機控制單元,使液壓系統性能大幅度提高,系統大幅度簡化,更好的適應了中大功率工程控制的技術要求。形成80年代有特色的比例插裝技術。
90年代機電一體化已成為國外工程機械發展的趨勢。將液壓技術與計算機、自動控制等相互交融,從而提高了液壓控制元件的自動化程度,改善作業性能,實現高效節能的目的。數字閥也是在這種背景下誕生的,與比例閥、伺服閥相比,這種閥結構簡單,工藝性好,價廉,抗污染能力強,重復性好,工作穩定可靠,功率小。但是它的發展速度不快,應用范圍也不大。這是由于數字閥的類型都有自身的局限性,一般數字閥主要用于先導控制和中小流量控制場合,例如數控電液伺服閥或者數控比例閥等。
21世紀的,研究者充分利用其他學科的發展來發展液壓技術,像應用計算機仿真與設計、計算機集成制造、計算機智能控制、計算機模糊控制等,實現了液壓技術的機電一體化、智能化和網絡化。液壓閥的發展和液壓技術的發展息息相關。
液壓閥目前的發展動態大致有如下幾個方面:
1、節能性
開發高效率的液壓閥,如低功率電磁換向閥,
2、控制性
計算機的普遍使用和各種傳感器的開發以及控制理論的發展,為液壓閥改善性能、提高控制性創造了條件。提高電液伺服閥的性能(如流量控制性、頻率特性)以擴大應用范圍,開發高性能電液比例閥(為克服死區、提高響應性、靜特性與重復性)及數字控制閥等,以滿足微機控制系統和數字控制系統的需要。
3、可靠性
液壓閥向高壓、高速化發展的結果,必然要求提高可靠性和壽命。為此發展了有關液壓閥特性的基礎性研究。例如,固定節流孔與可變節流孔動特性的研究,作用在滑閥上的瞬態液動力的實驗研究、超高速電液伺服閥中瞬態液動力的計算、作用在內流式錐閥上的液動力的實驗研究、液壓閥氣穴的研究等。
4、智能化
為實現遠距離控制或遙控,液壓閥越來越多使用電氣控制,即通過電信號來使液壓閥實現自動控制。目前有一種智能型組合閥,也叫可編程電液控制閥,是將電子技術、計算機控制技術和通用液壓閥進行融合構成可編程電液控制閥,它是通過控制幾個通用電液閥的控制邏輯和各個閥之間的協調邏輯,來實現相當于普通電液控制閥的功能。
5、綠色化
隨著人們環保意識的不斷提高,以及可持續發展理念的提出,未來液壓技術的介質、材料、工藝、產品將要符合生態與環保的要求,符合可再生、可持續發展要求,液壓閥勢必滿足“綠色設計、綠色工藝、綠色產品”的概念,從產品結構,產品材料,產品工藝及產品運行過程應均符合生態環保要求。
伴隨著其他的學科的進步與發展,流體傳動與控制技術將被引入到新的領域。未來流體傳動與控制技術將在以下領域取得突破:
隨著生命科學與生物技術不斷取得新的突破,以及納米材料、納米工藝的進展,將對流體傳動與控制技術的設計觀念與方法產生深刻的影響并帶來革命性的變化,將可能使流體傳動與控制元件加工精度及表面質量達到納米量級,從而使元件的效率、控制精度、壽命得以大大的提高。同時以此發展出微型液壓閥,從而使微型液壓系統在仿生機械、人造器官、等技術領域發揮舉足輕重的作用,成為新的技術前言。
近幾年3D打印技術的發展為液壓閥的制造開辟了新的道路。
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