銅板帶軋機中電液壓伺服閥

陳學仁 楊洋|文

本文通過對銅板帶軋機中常用的雙噴嘴擋板伺服閥的結構及工作原理的分析，針對用戶在使用和維護過程中產生的誤區進行分析，對使用和維護提出合理建議。

液壓伺服系統在工業自動化系統中應用越來越廣，高精尖設備對控制精度要求越來越高，對系統的可靠性及壽命，也提出了更高的要求。伺服閥是液壓伺服系統中的重要組成部分，伺服閥的性能優劣直接影響到系統的最終性能。

用戶對伺服閥的使用存在誤區，對伺服閥的使用環境、伺服系統的液壓油的清潔度、伺服閥的內泄等關注不夠，會造成在使用和維護過程中出現問題。

伺服閥的工作原理

伺服閥的結構有很多種，我們以銅板帶軋機厚控液壓伺服系統中常用的雙噴嘴擋板型伺服閥為例，談一下伺服閥的工作原理。

當線圈輸入電流為零時，在磁場的作用下，銜鐵在平衡的磁通作用下處于平衡狀態，伺服閥不輸出流量。

當線圈輸入電流不為零時，則產生控制磁通，不平衡的控制磁通使銜鐵產生偏轉力矩，銜鐵偏轉使擋板偏轉，帶動反饋彈簧偏轉，擋板偏轉使擋板與左右兩噴嘴間的距離產生變化，引起控制壓力變化，閥芯在左右控制壓力差的作用下，向壓力小一側移動，閥芯移動又帶動反饋彈簧向偏轉相反的方向移動，使擋板有回復中間位移動的趨勢，閥芯在左右壓力差的作用力和反饋彈簧作用下，處于某個平衡狀態，伺服閥的開口度與控制電流大小成正比，伺服閥輸出一定流量液壓油。

使用和維護時的理解誤區

1.誤解：認為閥的額定壓力就是伺服油缸的工作壓力。

多數電液伺服閥從本質上講，就是比例方向節流閥。液壓油流經閥口時，會產生壓降，伺服閥每經過一組油口，壓力降為3.5MPa，四通的電液伺服閥，兩組油口總壓降為7MPa。絕大多數伺服閥標定的空載流量是在壓降為7MPa時的流量。

液壓伺服系統設計時，一般考慮效率，由最佳效率原則選取，負載壓力按下式選取：

η=(P L×S Q R T(PS-PL))/(PS×S Q R T(PS))

式中：

η—效率

PL—工作負載

PS—系統供油壓力

效率最高時：Δη/ΔPL=0

即PL=2Ps/3時，效率最高。

2.誤解：認為閥的額定流量就是伺服油缸的工作流量。

板帶軋機中，將四通的電液伺服閥當做三通閥使用，只是一個組油口起作用，閥的總壓降只是3.5MPa，根據下式：

QS=QE×SQRT(PE/PS)=1.414×QE

式中：

QS—伺服閥實際可達到的最大流量

QE—伺服閥額定空載流量（壓降7MPa）

PE—伺服閥額定空載時的壓降，PE=7MPa

PS—實際使用中的閥口通道的壓降，PS=3.5MPa

從上式可看出，這種使用方式時，伺服閥的實際最大通油能力為其額定空載流量的1.414倍。

3.誤解：認為選用的伺服閥的頻率越高，系統的響應頻率也越高。

一般設計，伺服閥的響應頻率都很高，但油缸的固有頻率、阻尼、控制程序以及位移傳感器、壓力傳感器等檢測元件的性能，都對系統的最終響應頻率產生影響，其中響應頻率最低的環節將決定系統最終響應頻率。

4.誤解：認為液壓油的清潔度對電液伺服閥的影響不大。

從以下幾個方面說明。

伺服系統對液壓油的清潔度要求很高。表1是典型液壓元件要求達到的油液污染等級。

液壓系統液壓油的目標清潔度和元件壽命延長系數關系見表2，可看出，油品清潔度等級在現有系統清潔度基礎上提升的越多，元件使用壽命延長系數越高。

影響伺服閥分辨率的主要因素是閥的靜摩擦力和游隙。油臟時滑閥中的摩擦力增大，分辨率下降，同時伺服閥的游隙會顯著增加，引起伺服閥的滯環增加，可能引起系統的不穩定。

電液伺服閥的最大位移有下列經驗值見表3。

板帶軋機在正常工作時，電液伺服閥基本在零位附近工作，閥的開口很小，系統流量輸出不穩定，分辨率下降。

閥芯與閥套的徑向間隙一般為（0.005～0.015）mm，與徑向間隙接近的固體顆粒，一旦進入閥芯與閥套間隙，就會顯著增加閥芯與閥套之間的摩擦力，致使閥響應頻率下降，同時加速閥芯、閥套的閥口銳邊磨損。

銅板帶軋機中常用的雙噴嘴擋板伺服閥，液壓放大器為噴嘴擋板閥，內部固定節流孔及噴嘴擋板可變節流孔均很小，如液壓油清潔度不高，極容易出現堵塞現象，一旦堵塞，閥便不能正常工作，甚至造成重大事故。

5.誤解：認為電液伺服閥不存在內泄

板帶軋機中常使用的雙噴嘴擋板力反饋電液伺服閥、射流管伺服閥等，具有響應頻率高，無死區等特點。因此閥芯與閥套間隙較大，閥芯與閥套的油口采用零遮蓋，這些措施，提高了響應頻率，但也增大了閥的內泄；使用時間比較長的閥，閥芯、閥套銳邊在高速液壓油長期的沖刷下出現較大圓角，其內泄會顯著增加。

一般新的電液伺服閥（零開口型）零位時滑閥的實際內泄量按下式計算：

Qx=π×ω×e2×Ps/(32×μ)

式中：

ω—滑閥的面積梯度，ω=π×d，mm

d—滑閥閥芯直徑，mm

e—閥芯與閥套徑向間隙，mm

Ps—供油壓力，Pa

μ—液壓油的動力黏度，Pa×S

雙噴嘴擋板閥，還存在噴嘴擋板級的靜耗流量，同樣射流管閥也存在先導級的靜耗流量。

6.接地電阻和干擾對液壓伺服系統的影響

表1 液壓元件要求達到的油液污染等級

表2 液壓系統壓油目標清潔度及壽命延長系數

表3 電液伺服閥最大位移值

液壓伺服系統，對接地電阻要求很高，一般要求1Ω以下，很多用戶并不是很重視這一點。

銅板帶軋機的要求比較高，所選的伺服閥一般偏向于零開口、響應頻率高、分辨率電流小、壓力增益高的伺服閥，以FF102為例，額定電阻/額定電流：50Ω/40mA，分辨率：≤1%。如果接地電阻比較高，在外強電等磁場的干擾下，在傳輸線路產生感應電流，一旦達到或超過閥的最小分辨率電流，就可能引起伺服閥的誤動作，板帶帶材公差的尖峰跳動。

7.環境對伺服閥的影響

環境濕度和溫度對電液伺服閥的其性能都會產生一些作用。伺服閥線圈額定電阻有10%的偏差，基本不會對伺服閥造成影響，但閥線圈受潮，電阻變化比較大，就會伺服閥的性能造成比較大影響，甚至使伺服閥無法工作。

電液伺服閥的使用和維護建議

必須保證油品清潔度在7級以上；必須保證伺服閥的防潮措施到位；伺服系統的通訊線，必須和強電線路分開，并做好屏蔽；伺服系統的接點電阻保證在1Ω以內；停機時，壓下系統的壓力油必須釋放掉，以防因伺服閥內泄造成事故；軋制工藝設定時，保證最大軋制在設計范圍內；保證伺服閥入口壓力穩定。