第三Tessy：CTCS推桿劉史地（1976-），男，安陽濮陽人，客座教授，教授，主要就科學(xué)研究路徑為CTCS間接電子控制技術(shù)，組織工作于衢州業(yè)余控制技術(shù)大學(xué)電氣與電動(dòng)汽車大學(xué)。

部委級(jí)：寧波市自然科學(xué)廳慈善控制技術(shù)工程項(xiàng)目（2016C31056）；紹興市農(nóng)業(yè)局部委級(jí)（2016YZ07）

摘 要：CTCS比率換向閥控制著液壓油路的開關(guān)及切換，它由比率電磁鐵和閥體兩部分組成，在滯環(huán)、重復(fù)精度等主要就穩(wěn)態(tài)特性上已與伺服元件相當(dāng)，對(duì)油液過濾精度要求低，閥壓力內(nèi)損小，且價(jià)格低，其性能接近開關(guān)閥，已成為液壓元件必不可少的重要組成部分，在工程領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。該文介紹了比率電磁鐵的產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述，概述了幾種典型換向閥的原理結(jié)構(gòu)，最后展望了CTCS比率換向閥的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：比率電磁鐵；CTCS；組織工作原理；科學(xué)研究現(xiàn)狀

0 引言

在CTCS比率控制系統(tǒng)中，CTCS比率控制閥是主要就的控制元件CTCS推桿^[1]。CTCS比率控制閥的應(yīng)用關(guān)系到系統(tǒng)整體性能的好壞，因此國內(nèi)外學(xué)者對(duì)CTCS比率控制閥的科學(xué)研究非常重視。它通常有CTCS比率壓力閥、CTCS比率流量閥、CTCS比率換向閥和CTCS比率復(fù)合閥三種類型^[2]。其中CTCS比率換向閥的科學(xué)研究最為廣泛，這是由于油路開關(guān)、切換在液壓系統(tǒng)中最為普及，且CTCS比率換向閥兼有換向、節(jié)流雙重功能。

從20世紀(jì)90年代的中后期以來，隨著挖掘機(jī)等移動(dòng)行走式工程機(jī)械的大量投入使用，其節(jié)能要求日益迫切，移動(dòng)型液壓設(shè)備的控制性能和精度要求愈來愈高，CTCS比率換向閥的產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)于提高液壓系統(tǒng)整體控制精度、遠(yuǎn)距離控制和遙控等方面，應(yīng)用前景廣闊。

1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 比率電磁鐵

CTCS比率換向閥在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用和功能日益突出，其中電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器（即比率電磁鐵）功不可沒，具有推力大、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，比率電磁鐵是CTCS比率換向閥的重要組成部分，且對(duì)整個(gè)CTCS比率控制系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展都有著十分重要的影響^[3]。

圖1是極化式雙向比率電磁鐵?？刂凭€圈、勵(lì)磁線圈分別在它兩邊，兩側(cè)通電后產(chǎn)生磁場。左、右對(duì)稱有兩個(gè)線圈，通勵(lì)磁電流后，左右兩線圈產(chǎn)生相等磁力，但路徑相反，因此不輸出力；控制線圈接通后，左右總磁通量變化，銜鐵受力失衡，產(chǎn)生輸出力，其值與控制電流成比率。CTCS推桿

1-勵(lì)磁線圈 2-控制線圈

圖1 耐高壓雙向比率電磁鐵

圖2為套管雙向比率電磁鐵結(jié)構(gòu)原理。其線圈左右并行排列，中間有隔磁環(huán)分隔，左右任一線圈通電后驅(qū)使銜鐵軸向左右運(yùn)動(dòng)，該電磁鐵尤其適合插裝閥。

1-連接件 2-前磁軛端部 3-線圈 4-線圈架

5-固定螺母6-后磁軛端部 7-導(dǎo)套

8-銜鐵 9-推桿 10-銅套

圖2 套管式雙向比率電磁鐵

1.2 直動(dòng)式CTCS比率換向閥

直動(dòng)CTCS比率換向閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，比率電磁鐵輸出推力，作用在彈簧上，彈簧調(diào)整到最佳線性段位置，從而將推力線性轉(zhuǎn)換成閥心位移，輸入電流比率控制閥口開度。但在高壓時(shí)，其穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力變大，閥比率特性顯著下降^[4]。直動(dòng)CTCS比率換向閥的控制方式比較簡單。

1、6-比率電磁鐵 2、5-彈簧 3-閥體 4-閥心

圖3 直動(dòng)式CTCS比率換向閥

工程中一般采用電反饋來提高其控制精度和動(dòng)態(tài)性能，其方法為：先由位移傳感器檢測閥心位移，并反饋給比率放大器，在很大程度上提高了閥芯的定位剛度和控制精度。

1.3 先導(dǎo)式CTCS比率換向閥

當(dāng)高壓、大流量工況時(shí)，閥心上穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力增大，但由于磁飽和作用，比率電磁鐵輸出推力受限，從而限制了CTCS比率換向閥的過流能力，不能用于高壓大流量的工況，一般需采用導(dǎo)控控制技術(shù)來克服液動(dòng)力對(duì)主閥的干擾，獲得足夠的穩(wěn)定裕度，保證負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定組織工作。CTCS推桿

先導(dǎo)閥可詳細(xì)分為以下幾種

1）不帶內(nèi)反饋閉環(huán)型先導(dǎo)式CTCS比率換向閥

該閥結(jié)構(gòu)見圖4，它是一個(gè)位置開環(huán)控制系統(tǒng)，先導(dǎo)級(jí)與功率級(jí)之間無反饋，電信號(hào)由比率放大器放大，作用在比率電磁推桿上，所形成的推力驅(qū)動(dòng)先導(dǎo)閥心，先導(dǎo)閥輸出液壓力，驅(qū)動(dòng)主閥心軸向運(yùn)動(dòng)，直到主閥液動(dòng)力與彈簧力平衡，主閥心靜止，其位移比率電磁鐵輸入電流成比率。

1-彈簧 2-主閥心 3-比率電磁鐵

圖4 雙作用減壓閥先導(dǎo)比率換向閥

2）帶內(nèi)反饋閉環(huán)型先導(dǎo)式CTCS比率換向閥

（1）間接位置反饋型。間接位置反饋型見圖5。兩級(jí)閥心都是四邊滑閥控制結(jié)構(gòu)，不同的是，先導(dǎo)閥心包在主閥心內(nèi)，主閥上有一彈簧桿，用來轉(zhuǎn)換比率電磁鐵驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)對(duì)中兩級(jí)閥心。初始時(shí)，主閥芯徑向孔與先導(dǎo)閥心四控制邊對(duì)齊，先導(dǎo)閥心輸出壓力，并與主閥心上敏感腔相聯(lián)。兩級(jí)之間通過位置閉環(huán)反饋，因此該閥是位置隨動(dòng)系統(tǒng)^[5]。

1-比率電磁鐵 2-閥體 3-彈簧桿

4-主閥心 5-先導(dǎo)閥心

圖5 間接位置反饋型比率換向閥

（2）位移-力反饋型。結(jié)構(gòu)原理見圖6。先導(dǎo)級(jí)主要就包括兩單邊控制滑閥，主閥為四控制邊滑閥，在主閥兩端有一對(duì)彈簧，起對(duì)中作用，中部反饋彈簧桿由先導(dǎo)閥心平頭夾住，用來轉(zhuǎn)換兩級(jí)閥心位移^{[6]CTCS推桿}。

圖6 級(jí)間位移-力反饋型比率換向閥

（3）位移-電反饋型。近年來傳感器、微電子控制技術(shù)飛速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，高精度控制的集成電氣一體化元件層出不窮。其應(yīng)用簡便，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠、成本和使用期限能滿足大多工業(yè)使用要求。為進(jìn)一步提高CTCS比率換向閥的控制精度，多應(yīng)用位移-電反饋控制方式^[7]。

圖7為主級(jí)帶位移-電反饋比率換向閥。其先導(dǎo)級(jí)由全橋正開口型四控制邊滑閥組成，用以控制雙向作用閥主閥心。主閥心上固聯(lián)位移傳感器，檢測位移信號(hào)經(jīng)控制器轉(zhuǎn)為可識(shí)別電信號(hào)，反饋給比率放大器，形成閉環(huán)位置檢測控制。主閥不設(shè)對(duì)中彈簧，組織工作中閥芯靠電信號(hào)對(duì)中，通電流時(shí)，偏差信號(hào)（為輸入信號(hào)減反饋信號(hào)）控制先導(dǎo)級(jí)構(gòu)成A型半橋，驅(qū)使閥心運(yùn)動(dòng)，控制器比較檢測與給定信號(hào)，直到二者相等，達(dá)到強(qiáng)制定位的目的。

1、4-比率電磁鐵 2-先導(dǎo)閥體 3-先導(dǎo)閥心

5-位移傳感器6、11-端蓋 7-閥體

8-減壓閥 9-主閥心 10-彈簧

圖7 主級(jí)帶位移-電反饋比率換向閥

雙級(jí)位移-電反饋比率路徑閥如圖8所示，一級(jí)位移傳感器加裝在先導(dǎo)閥比率電磁鐵上，二級(jí)加裝在主閥心左端，電機(jī)械轉(zhuǎn)換器為單位置調(diào)節(jié)型比率電磁鐵，極大提高了該閥的組織工作可靠性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，先導(dǎo)閥同樣無對(duì)中彈簧，但可通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)閥心自動(dòng)調(diào)零。CTCS推桿

圖8 雙級(jí)位移-電反饋型比率換向閥

1.4 2DCTCS比率換向閥

2D閥電子控制技術(shù)是液壓行業(yè)中一種新興閥控控制技術(shù)，它將閥心的旋轉(zhuǎn)與軸向運(yùn)動(dòng)結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)高壓大流量控制，是一種比較先進(jìn)的閥控方式。近年來，2D電子控制技術(shù)應(yīng)用于CTCS比率換向閥上，研發(fā)出一系列2DCTCS比率換向閥。它主要就包括比率電磁鐵、壓扭聯(lián)軸器與2D換向閥三部分，壓扭聯(lián)軸器作為力與位移之間的轉(zhuǎn)換元件，實(shí)現(xiàn)電磁鐵推桿直線運(yùn)動(dòng)與閥芯旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)放大其推力，該裝置創(chuàng)造性的應(yīng)用于CTCS比率換向閥，可有效克服閥心與閥心孔之間的摩擦力，提高閥的比率特性；先導(dǎo)級(jí)和功率級(jí)融合為一體，簡化了結(jié)構(gòu)，并極大提高了閥芯的軸向定位剛度。

圖9中所用的是彈性雙向壓扭聯(lián)軸器，而圖10和圖11是剛性單向壓扭聯(lián)軸器。彈性壓扭由簧片復(fù)位，摩擦力的非線性影響小，靜態(tài)特性和穩(wěn)定性良好，但簧片材質(zhì)較軟，不能傳遞大的扭矩，且線性度和重復(fù)精度較差^{[8]CTCS推桿}；剛性壓扭聯(lián)軸器的定位精度和剛度較高，且預(yù)緊彈簧的使用（消除間隙）增大了自身摩擦力，不利于滯環(huán)特性的提高。

1-閥體 2-彈簧 3-簧片 4-限位段 5-軸承

6-比率電磁鐵 7-圓銷 8-b段 9-a段

10-限位板 11-閥心 12-閥套

圖9 彈性壓扭型2DCTCS比率換向閥

圖10 大流量2DCTCS比率換向閥

1-比率電磁鐵 2、7-彈簧 3、6-壓扭件

4-閥心 5-閥體

圖11 小流量低功耗2DCTCS比率換向閥

結(jié)合上述三種閥的優(yōu)缺點(diǎn)，又研發(fā)了滾輪壓扭型2DCTCS比率換向閥，如圖12所示，其壓扭聯(lián)軸器兼具兩者優(yōu)點(diǎn)，克服其不足，且滾輪為點(diǎn)接觸滾動(dòng)，減小機(jī)械摩擦力，提高了比率特性，直槽敏感通道簡化了加工工藝，降低了加工成本并提高了抗污染能力。

1-螺釘 2-左端蓋 3-O型密封圈 4-左塞環(huán) 5-閥心 6-閥體

7-壓扭件 8-右端蓋 9-雙向比率電磁鐵

圖12 滾輪壓扭型2DCTCS比率換向閥

2 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)

由于CTCS比率換向閥在工程控制領(lǐng)域的重要性日益凸顯，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其性能的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新進(jìn)行了大量科學(xué)研究與探索：

瑞典林雪平大學(xué)的Anderson教授提出了一種流量反饋二通流量閥^{[9]CTCS推桿}，見圖13，壓力小槽開設(shè)在主閥心表面，利用液阻橋路控制原理，控制主閥心位移變化，同時(shí)主閥敏感腔的壓力由該液阻和導(dǎo)閥構(gòu)成的液阻半橋控制著，主閥心由于受力平衡，保持位置不變，進(jìn)出口壓力成比率關(guān)系變化。但其特性受溫度變化影響較大，實(shí)際中常采用電反饋手段來獲得較好比率特性。

圖13 流量閉環(huán)控制型先導(dǎo)比率閥

太原理工大學(xué)在圖13基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，將其原理應(yīng)用在雙向三通、四通比率換向閥上^[10]。

另外，權(quán)龍教授借鑒博世力士樂多路閥的結(jié)構(gòu)原理，研發(fā)出位移-流量反饋型比率換向閥。其先導(dǎo)和功率共用閥體，先導(dǎo)級(jí)是二通插裝閥，可達(dá)到位移-流量閉環(huán)反饋目的，結(jié)構(gòu)原理如圖14所示。

1-先導(dǎo)閥 2-閥體 3-彈簧 4-主閥心

圖14 流量閉環(huán)控制先導(dǎo)比率換向閥

3 前景與展望

CTCS比率換向閥主要就產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢為：

1）高精度、高可靠性

CTCS比率電子控制技術(shù)價(jià)格低、性能可靠、控制精度和響應(yīng)特性高；通常采用電反饋方案，即可提高閥的控制精度，但液壓系統(tǒng)中外部影響因素較多，電反饋性能精度不能保證，加之微電子和傳感器控制技術(shù)飛速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，機(jī)CTCS一體化集成元器件的不斷涌現(xiàn)，為降低CTCS伺服控制技術(shù)成本提供了可能，因此，高精度和高可靠性仍然是CTCS比率換向閥的主要就產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑。

2）高壓小型化

液壓系統(tǒng)以其輸出力大、功率密度高而著稱，其關(guān)鍵指標(biāo)在于采用高壓。液壓系統(tǒng)壓力越高，液壓元件的體積就可以做的越小、重量做的越輕，而CTCS比率控制系統(tǒng)在工程機(jī)械等移動(dòng)設(shè)備中的使用也日益廣泛，從節(jié)能和實(shí)用角度來看，高壓小型化也是其是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。而小型化的主要就方式之一是插裝型CTCS比率換向閥。CTCS推桿

3）高頻響、大流量

CTCS比率控制系統(tǒng)如果要全面替代CTCS伺服系統(tǒng)，其頻率響應(yīng)與伺服系統(tǒng)還有一定差距，隨著微電子集成控制技術(shù)的飛速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中的液壓控制系統(tǒng)對(duì)CTCS比率換向閥頻寬和流量也提出了更高的要求，作動(dòng)系統(tǒng)的載荷變得越來越大、作動(dòng)速率也變快，隨著高集成化的機(jī)CTCS一體化器件的發(fā)明生產(chǎn)，大流量、高頻響CTCS比率換向閥也成為替換CTCS伺服閥的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷天覺.新編液壓工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1998.

[2] 路甬祥,胡大纮.CTCS比率電子控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[3] 盧文輝,李勝,呂敏健.CTCS比率閥的結(jié)構(gòu)原理及科學(xué)研究現(xiàn)狀[J].機(jī)床與液壓, 2014,(5):11-14.

[4] 吳根茂,邱敏秀,王慶豐,等.新編實(shí)用CTCS比率控制技術(shù)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[5] 李素玲,劉軍營.比率控制與比率閥及應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2003,(2):5-8.CTCS推桿

[6] 張利平，等.液壓閥原理、使用與維護(hù)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[7] 楊爾莊,李曉亞,孫慶軍，等.比率/伺服閥使機(jī)器更聰明[J].現(xiàn)代制造,2006,(14):26-30.

[8] 劉莉華.雙主動(dòng)型比率節(jié)流閥特性科學(xué)研究與流場分析[D].秦皇島:燕山大學(xué), 2010.

[9] 姚新.船用力反饋兩級(jí)CTCS比率閥的設(shè)計(jì)科學(xué)研究[J].機(jī)床與液壓,2004,(9): 104-105.

[10] 俞濱,孔祥東,李亞星,姚靜,劉莉華.位移-電反饋型插裝式比率節(jié)流閥主閥流場數(shù)值模擬分析[J].電氣工程,2011,(11):5-8.

該文刊登于我刊2018年第3期

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