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比例阀名称的标准化解读

发布日期:2017-07-07    来源:本刊摘编      点击数:41587

      在工业液压领域中,随着电液比例控制技术的发展,比例阀产品的种类和性能在发展变化着,高响应比例阀已接近伺服阀性能,相应的不同性能的比例阀的名称和分类也有许多变化,这导致了比例阀产品市场上的名称分类及解释各不相同,产生了应用混淆,已影响对比例阀名称的规范。近些年来,IOS标准及国家标准已颁布一系列标准涉及有关比例阀名称,这些标准名称与市场流行的习惯有所不同,因此,需根据国家标准或国际标准名称术语进行规范,正确认识理解这些比例阀名称及含义。
      一、概况
      在国际标准ISO 5598:2008 或国家标准GB/T17446-2012《流体传动系统及元件词汇》(以下简称新标准《词汇》)中,对与比例阀有关的有多个名称定义:
      比例阀proportional valve—其输出量与控制输入量成比例的阀。
      比例控制阀proportional control valve—一种电调制的连续控制阀,其死区大于或等于阀芯行程的3%。
      伺服阀servo-valve—一种电调制的连续控制阀,其死区小于阀芯行程的3%。
      连续控制阀continuous control valve—响应连续的输入信号以连续方式控制系统能量流的阀(连续控制阀含义包括所有类型的伺服阀和比例控制阀)。
      通过上述这些定义可知,“比例阀”一词是泛指各种驱动形式(电、液、机及气等驱动形式)的,输出量与控制输入量成比例的液压阀类。对于“用电驱动形式的比例阀”来说,一般指使用比例电磁铁驱动的并应用于液压控制系统中的各种“电液比例阀”名称的简称。不过,比例阀不仅使用比例电磁铁这一种电驱动形式,也使用步进或伺服电机、动圈力马达等其他电驱动形式(目前使用比例电磁铁驱动形式的产品市场应用较多)。比例阀与普通液压阀一样分为三大类型产品,即:各种的比例压力阀(以溢流和减压为主)、比例流量(或节流)阀及比例方向(节流)阀,等等。
      “比例控制阀”一词在新国家标准《词汇》的名称定义与以往理解有所不同。“比例控制阀”过去没有国家标准的规范名称,过去通常是指一种能使输出油液的参数(压力、流量和方向)随输入电信号参数(电流、电压)的变化而成比例的阀,从而实现连续的比例控制目的。现在特指为一种电调制的连续控制阀,从特征上讲,其死区大于或等于阀芯行程的3%。实际应用可知,“比例控制阀”不仅可用于开环控制,主要可用于闭环控制系统,高性能的比例控制阀甚至可与伺服阀接近。因此,“比例控制阀”的性能特征发展变化也同时影响了对伺服阀名称解释和区分。
      “伺服阀”一词在旧国家标准GB/T 17446-1998《流体传动系统及元件术语》(已作废)中,专指“接受模拟量控制信号并输出相应的模拟量流体的阀”。同时,旧国家标准还有液压伺服阀、电液伺服阀等不同类型伺服阀名称。其中,当输入指令为电量时,旧国家标准中称其为“电液伺服阀(electro hydraulic servovalve)”。不过,在2008 年新ISO 5598 标准《词汇》颁布后,“电液伺服阀”一词不再是标准目录中的规范名称,仅用“伺服阀”一词代替,而且,对“伺服阀”的定义已有新的修改内容,这个变化明显是受到了比例控制阀的影响。
      在新标准《词汇》中第一次出现了“连续控制阀”词汇和定义。这个词汇目前在国内使用很少,认识还生疏。在“连续控制阀”一词之下,包含所有类型“比例控制阀”和“伺服阀”。从定义和市场应用的产品功能分析,连续控制阀隐含表达了这样的含义:伺服阀在伺服控制系统作为放大元件,它能响应连续的输入信号,以连续方式控制系统的位置、压力、流量,速度等。同样的,比例控制阀也具有伺服阀一样或相似功能,可响应连续的输入信号,或者在有外部反馈信号的闭环控制系统中,实现控制液流的大小、方向和压力功能。可见,连续控制的含义不仅表示两类型阀具备一定的动态控制性能的连续响应能力,还表示这两类型阀应用于具有反馈控制场合。
      “连续控制阀”一词的出现表明这样一个事实:随着比例控制技术的应用发展,具有高频响(Frequency Response)特征的“比例控制阀”性能已可接近甚至达到伺服阀的性能水平,两者之间的区别已经越来越难以界定。因此,新标准《词汇》中的电调制的连续控制阀是以阀口零位时的遮盖状态来界定比例控制阀和伺服阀这两者之间的区分:即“比例控制阀的零位死区通常大于或等于阀芯行程的3%。而伺服阀则小于3%”。
      对于比例控制阀与伺服阀之间用死区精度的细微差别,来区分两者之间最关键的加工工艺或功能特征,一般不易理解。这个差别不仅决定两者之间本身性能的高低差别,同时也反映两者之间制造成本上差别。一般来说,比例控制阀的制造精度等级比伺服阀相差一个数量级水平。因为比例控制阀主要面向工业液压领域,一般不需人工单独或专门工艺方法研配阀控制口零位机械死区的几何尺寸精度,仅依靠加工设备批量化的加工工艺,就能使相对低的加工和配合尺寸精度满足工业液压控制应用,这样,比例控制阀相对较大零位机械死区配合与伺服阀接近于零遮盖死区必须采用特殊方法进行选配工艺相比,其制造成本上有明显的降低。
      实际上,采用比例电磁铁或具有较大的驱动电功率特性,是比例控制阀明显区别于传统的微电功率驱动的伺服阀主要外部特征,新标准《词汇》不采用两者之间的外部特征加以区分,这是因为产品的外部特征不能表达比例控制阀与伺服阀之间本质的功能特性。
      二、国外流行名称
      在德国,过去用于开环控制的比例阀名称与中国基本理解的相同,如比例压力阀、比例流量阀或比例方向阀等。但是,德国用于闭环控制的比例控制阀过去统称为调节阀(德文Regelventile),德文中“调节阀”一词本身隐含着明确的闭环调节功能的含义,按其产品特性有三种不同名称流行于世,形成专有名称术语。即:
      1、高频响阀(High response valve)
      动态特性(阶跃响应时间)比普通比例阀高,具有良好稳态重复精度(滞环小)。同一款产品的多数型号用于开环控制,也有个别型号可通过电补偿技术用于闭环控制。产品品种主要有比例方向控制阀、插装式比例节流控制阀,也有比例压力控制阀,比例流量控制阀等品种。
      2、闭环比例阀(Closed-loop proportional-valve)
      典型特征是阀内置电反馈检测装置与放大器(具有PID 调节器功能)构成内部控制闭环。稳态、动态特性比普通比例阀明显高,具有频率特性指标。产品结构有四通方向控制阀,也有二通、三通插装式或者螺纹插装安装形式的比例方向(节流)控制阀,用于开环控制有较高的控制精度。根据阀口零位可调节特征适用于位置控制、力(压力)控制及流量控制,特别适合一个循环动作中即有开环控制又有闭环控制或者要求较高控制精度等复合控制场合。
      3、伺服比例阀(或比例伺服阀)(Servo solenoid valve)
      典型结构特征是具有四通控制阀口,具有较小的机械零位死区(零遮盖死区等于甚至小于阀芯行程3%),稳态、动态特性及频率特性符合伺服阀要求,只是动态频响比伺服阀低。一般达到工业伺服控制应用要求(满足3Hz~5Hz 低频伺服系统工况),主要用于位置控制、力(压力)控制及速度控制。
      上述这类名称,具体应用于产品,名称则多种多样,并且同一型号产品名称随着发展变化也有前后不同,而国内对进口产品的名称翻译就更加不规范。以四通比例方向控制阀类产品为例,BOCHREXROTH公司早期BOCH公司有一种产品型号产品原名称为“Regelventile LVDT-DC;Servo solenoid valves LVDTDC;Servo-distributeurs LVDT-DC”而中文产品样本或教程则翻译为“伺服电磁阀,带电气位置反馈(Lvdt DC/DC±10 V)”,或“4/4 闭环比例阀,6通径,直控式”等。以后该产品型号改为4WRPH 6 型,功能特征虽然没有本质改变,但是,产品名称却修改为“Servo solenoid valves with electrical position feedback (Lvdt DC/DC ±10 V)”,中文翻译名称则相应地改为“伺服电磁阀,它带有电子位置反馈器(Lvdt DC/DC ±10V)”。可见,如果不对名称予以规范,会产生很大麻烦。好在目前国外已认识到这个问题,率先执行新ISO标准所要求的电调制液压控制阀,或电调制的连续控制阀名称进行分类。例如BOCHREXROTH 公司已经把不同具体名称的比例控制阀产品统一归类为电调制的连续控制阀。对于电调制的比例阀产品,由于其动态性能已改进提高,也被归类于电调制的连续控制阀。现在所有类型的阀已经按照ISO 标准,在德文统一称为“Stetigventile”比例阀。
      虽然标准已提供规范分类名称,对具体产品仍然采用功能特性来命名比较流行,产品名称与电液控制系统的应用紧密相关是比较清楚的做法,仅仅用电调制的连续控制阀或者电调制液压控制阀分类表示,会使一些具体产品互相之间功能特征方面比较模糊,所以,为明确地区分阀功能特性界线。国外产品仍继续采用以连续控制阀概括比例控制阀类的划分形式,再用具体名称表达具体产品特征形式的方法。
      三、各种名称的关系图
      由于比例阀是从液压系统应用中发展起来的,比例控制阀既可以解决普通液压系统无法解决的电调节、连续调节、快速性及缓冲制动等问题,又可满足一般工业液压伺服控制或闭环控制应用需要,并且因产品的发展历史原因与应用变化,形成不同用途的比例阀、比例控制阀,其与液压阀、伺服阀之间的名称关系比较混杂。因此,新国家标准《词汇》和标准试验方法规定的标准名称,力求规范产品名称分类关系。所以,今后应该按照国家标准或国际标准名称术语和市场流行的名称相结合方式,正确表达不同类型产品名称之间所表达的分类关系,参见图1所示分类说明,以正确运用名称规范并且与国际标准接轨。
      图1 不同类型产品的分类说明

     

      值得注意的是,电调制类的比例阀品种发展越来越多,应用领域越来越广泛,这也影响了普通液压阀类产品名称和分类变化。在国外已更明确划分普通液压阀与电调制液压控制阀界线,强调普通液压阀为开关阀,即把普通液压阀类(压力、流量及方向三大类液压阀)产品统一称为:“开关液压阀(On/Off Valve)”,以示从应用方面与比例阀、连续控制阀或电调制液压控制阀的加以区分。