聶 偉 王麗娟 潘熙和

(長江科學(xué)院長江控制設(shè)備研究所,湖北武漢 430010)

1 概 述

品中通用的標準化液壓元件在水輪機調(diào)速器中的應(yīng)用仍受到限制。

我國水輪機調(diào)速器設(shè)備從建國初期由仿制蘇聯(lián)設(shè)備開始,到近幾十年來不斷自主設(shè)計研發(fā)、制造,走出了一條具有中國特色的水電控制設(shè)備發(fā)展道路,在機械液壓控制部分的研制和應(yīng)用方面取得了飛速發(fā)展,各種產(chǎn)品形式不斷出現(xiàn),并且特色鮮明,形成了百家爭鳴的格局。在水電站機組運行實踐中,不斷有產(chǎn)品被新的系統(tǒng)所取代。

水輪機調(diào)速器是水電站的重要組成部分,主要用于控制水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速與出力,其品質(zhì)與性能直接影響到電網(wǎng)品質(zhì)和水電站運行的安全可靠性。電液轉(zhuǎn)換部件是調(diào)速器的核心部件,因此改善和提高水輪機調(diào)速器中電液轉(zhuǎn)換部件工作的可靠性和抗油污能力,是確保水輪機調(diào)速器可靠性的關(guān)鍵。盡量使用工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)成熟液壓標準元件,減少自制液壓元件的使用已經(jīng)成為水輪機調(diào)速器行業(yè)發(fā)展的大趨勢。目前已有大量的調(diào)速器在控制油路中采用了標準液壓閥,如電液比例閥、伺服比例閥、電磁換向閥、插裝閥等。但由于水電行業(yè)對控制系統(tǒng)工作的可靠性和抗油污能力的苛刻要求,使一些液壓產(chǎn)

2 幾種常用的電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

2.1 電液伺服閥

電液伺服閥是一種接受模擬量電控制信號,輸出隨電控制信號的大小及極性變化、且快速響應(yīng)的模擬量流量或壓力的液壓控制閥。與電液比例閥相比,電液伺服閥具有快速的動態(tài)響應(yīng)及良好的靜態(tài)特性,如分辨率高、滯環(huán)小、線性度好等。圖1所示為電液伺服閥結(jié)構(gòu)。該閥是一種高性能、高精度的電液控制部件,是電液伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能及正確使用,直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)特性,也直接影響到系統(tǒng)工作的可靠性和壽命。因此在使用電液伺服閥時需注意以下問題。

(1)油源。電液伺服閥通常采用定壓液壓源供油,伺服閥供油口前需接入過濾精度不低于10 μ m的濾油器。

(2)使用。伺服閥系統(tǒng)對油質(zhì)的要求非常高,其使用壽命和可靠性與工作液的污染度密切相關(guān)。工作液不清潔,輕則影響產(chǎn)品性能,縮短壽命,重則使產(chǎn)品不能工作。因此使用者對系統(tǒng)工作液的污染度應(yīng)予以特別重視。使用伺服閥的液壓系統(tǒng)必須做到:①對安裝伺服閥的液壓系統(tǒng)必須徹底清洗,系統(tǒng)的過濾精度應(yīng)能達到好于伺服閥使用說明書規(guī)定的工作液污染度的等級要求。首次使用伺服閥時,新安裝的液壓系統(tǒng)管路或更換原有管路時,應(yīng)進行嚴格清洗。②在伺服閥進油口前必須配置過濾精度不低于10 μ m的濾油器,這些濾油器應(yīng)是全流量的非旁通型濾油器。③應(yīng)定期檢查工作液的污染度。

(3)定期維護。伺服閥應(yīng)定期返回制造廠進行調(diào)整。對于有些伺服閥,用戶可按說明書的規(guī)定,定期對其內(nèi)部濾油器和外調(diào)零機構(gòu)進行更換,或清洗內(nèi)部濾油器,或按使用情況調(diào)節(jié)伺服閥零偏。此外,用戶不得分解伺服閥。如伺服閥發(fā)生故障,應(yīng)將其返回制造廠、研究所或由這些單位設(shè)立的維修中心進行修理、排障、調(diào)整。

圖1 電液伺服閥結(jié)構(gòu)

2.2 電液比例控制閥

長期以來,在大多數(shù)工業(yè)液壓控制系統(tǒng)中,當(dāng)需要高性能的位置或速度控制時,首先想到的、也曾經(jīng)是唯一的解決辦法,就是采用電液伺服閥的閉環(huán)控制系統(tǒng)。但由于電液伺服閥是一種高技術(shù)條件下的方向和流量控制閥,不可避免地會帶來一定的制造難度,并導(dǎo)致制造成本高、維護不方便等弊端。因此在并不需要伺服閥的全部性能和潛力的應(yīng)用場合,這些問題就可能成為主要缺點。電液比例控制閥是20世紀70年代初為了解決液壓控制系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用,并克服伺服閥在工業(yè)應(yīng)用中的一些缺點,而在伺服閥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。經(jīng)過20～30 a的發(fā)展,除仍保留中位死區(qū)處,其穩(wěn)態(tài)特性已與伺服閥不相上下,頻寬達10～25 Hz,從而使電液比例控制閥獲得了遠比伺服閥更為廣泛的工業(yè)應(yīng)用范圍。

按其控制功能來分類,可將電液比例控制閥分為比例壓力控制閥、比例流量控制閥、比例方向控制閥和比例復(fù)合閥。前兩者為單參數(shù)控制閥,后兩者為多參數(shù)控制閥(如同時控制壓力、流量和油流方向)。比例方向閥屬于兩參數(shù)控制閥,能同時控制流體運動的方向和流量,在壓差恒定的條件下,通過它的流量與輸入的電信號成比例,而液流方向則取決于控制閥兩個比例電磁鐵中被激勵的一個。

按液壓放大極的級數(shù),又可將電液比例控制閥分為直動式和先導(dǎo)式。直動式是由電-機轉(zhuǎn)換元件直接推動液壓功率級,由于受電-機轉(zhuǎn)換元件輸出力的限制,直動式比例閥能控制的功率有限,一般控制流量在50 L/min以下。先導(dǎo)控制式比例閥由直動式比例閥與能輸出較大功率的主閥級構(gòu)成,目前,二級比例閥可以控制的流量通常在500 L/min以下。

圖2為直控式比例方向流量閥的結(jié)構(gòu)示意,屬于節(jié)流控制型方向流量閥。圖中,進油口為P、出油口為A/B、回油口為 T。

圖2 直控式比例方向流量閥

當(dāng)比例電磁鐵不通電時,閥芯由復(fù)位彈簧保持在中位;當(dāng)向左側(cè)電磁鐵輸入一個電流信號時,電磁鐵就會產(chǎn)生一定的推力,推動閥芯克服彈簧力向右移動一定距離,相對于閥體的控制臺階,閥芯移動一定的開口量,且從P腔到B腔、從A腔到T腔流過一定的流量。若輸入連續(xù)的電流信號,則開口量就會隨之呈線性變化,使通過閥的液流流量成比例地變化。右側(cè)電磁鐵輸入電流信號時,也會產(chǎn)生類似的變化,只不過液流方向相反。改變左、右比例電磁鐵的信號,就可使液流改變方向和流量,而普通的電磁鐵換向閥只有左、中、右3個位置,不可能在中間任一位置停留。

電液比例控制閥在調(diào)速器的電液隨動系統(tǒng)中,不僅直接替代了傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換器,而且因其為批量和規(guī)格化生產(chǎn),避免了專用電液轉(zhuǎn)換器小批量加工的工藝難度和加工設(shè)備引起的制造缺陷,可靠性有了很大提高。目前通常是采用直動式電液比例方向閥,直接或間接(作為先導(dǎo)級)地實現(xiàn)對液壓放大執(zhí)行元件流量和方向的控制。

2.3 伺服比例閥

20世紀90年代初,德國的博世公司推出了一種新型高頻響比例閥產(chǎn)品,這種產(chǎn)品在工作原理和性能上介于電液伺服閥與普通比例閥之間,稱為伺服比例閥。

伺服比例閥液壓部分以滑閥式結(jié)構(gòu)為主,相對閥套移動形成的矩形全周控制口,滑閥可同時控制液流的壓力、流量和流向。這種閥的電磁推力大,線圈匝數(shù)小、電流大,采用了具有快速工作特性的精密電子放大器;同時減小了機械摩擦的副摩擦力,消除了零位死區(qū)。因此其動態(tài)特性大為改善,頻寬可達40～80 Hz,并且可達到滯環(huán)和重復(fù)精度小于0.1%的高穩(wěn)態(tài)控制精度,完全可以取代伺服閥而用于閉環(huán)控制系統(tǒng)。

伺服比例閥配置了新型閥用電控制器,均采用PID控制方法,并有位置控制、速度控制、力控制、同步控制等常用電/液控制系統(tǒng)的電控制器。電控制器直接安裝在伺服比例閥上,結(jié)構(gòu)緊湊,用戶只要按主機工藝要求,操縱一臺工業(yè)控制機,就可實現(xiàn)控制要求,且安裝極為方便。圖3所示為伺服比例閥典型結(jié)構(gòu)。

圖3 伺服比例閥典型結(jié)構(gòu)

伺服比例閥的結(jié)構(gòu)較伺服閥簡單,因而價格低于伺服閥;控制環(huán)節(jié)少,因而工作可靠,對工作介質(zhì)無苛刻要求。由于這些優(yōu)良特性,在國外,伺服比例閥已取代伺服閥被用于許多工業(yè)控制領(lǐng)域,成為液壓控制產(chǎn)品的一個研制發(fā)展方向。

2.4 快速開關(guān)式數(shù)字閥

快速開關(guān)數(shù)字閥又稱脈寬調(diào)制式數(shù)字閥。其數(shù)字信號控制方式為脈寬調(diào)制,控制液壓閥的信號是一系列幅值相等、且在每一周期內(nèi)寬度不同的脈沖信號?？焖匍_關(guān)數(shù)字閥結(jié)構(gòu)示于圖4中。

圖4 快速開關(guān)數(shù)字閥結(jié)構(gòu)

快速開關(guān)式數(shù)字閥的控制方式以及液壓閥的工作原理與比例閥、普通開關(guān)閥和增量式數(shù)字閥均有較大不同,它是一個快速切換的開關(guān),只有全開、全閉兩種工作狀態(tài),因此其液壓閥結(jié)構(gòu)也與其他閥的不同。但驅(qū)動部件仍以電磁式電、機轉(zhuǎn)換器為主,主要是力矩馬達和各種電磁鐵。

快速開關(guān)式數(shù)字閥的控制系統(tǒng)是以計算機根據(jù)控制要求發(fā)出脈沖信號,經(jīng)脈寬調(diào)制放大器調(diào)制放大,作用于電/機放大器,電/機轉(zhuǎn)換器驅(qū)動液壓閥工作。系統(tǒng)多為開環(huán)控制,也可用于閉環(huán)控制。該閥的主要優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單;成本低;對油液污染不敏感,工作可靠、維修方便;閥口壓降小,功耗低;元件死區(qū)對控制性能影響小;抗干擾能力強;與計算機連接方便,控制程序容易編制。

該閥的主要缺點是:因為元件工作不連續(xù),銜鐵的撞擊運動和液流的脈沖運動會產(chǎn)生較大噪聲,被控參量的目標值是以開關(guān)閥的平均值來代替,瞬時流量和壓力的脈動較大,這樣會影響元件和系統(tǒng)的使用壽命和控制精度。為得到高頻開、關(guān)動作,電/機轉(zhuǎn)換器和閥的行程都會受到限制,因此這種閥的流量均不大,只能控制小流量,或用作先導(dǎo)級來控制大流量。

快速開關(guān)閥動作滯后的原因主要是電滯后、磁滯后和機械滯后。

2.5 無油自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換器

圖5 步進電機式電/機轉(zhuǎn)換器

無油自復(fù)中電/機轉(zhuǎn)換器主要由電氣、機械傳動和復(fù)中機構(gòu)三大部分組成。其中電氣部分為步進電機或伺服電機,設(shè)置在上部;機械傳動為滾珠螺旋副,設(shè)置在中部;復(fù)中機構(gòu)為單彈簧復(fù)中機構(gòu),設(shè)置在下部。其最大特點是:

(1)當(dāng)電源消失后,能靠單彈簧自復(fù)中機構(gòu)自動復(fù)中(恢復(fù)平衡位置);

(2)與液壓放大機構(gòu)構(gòu)成電液隨動裝置,完全是在常用的電液轉(zhuǎn)換器方式下工作;

(3)無油控制。

以步進電機為例,對其進行較為詳細的介紹。

調(diào)速器由可編程輸出脈沖信號來控制步進電機旋轉(zhuǎn)目標的角度,旋轉(zhuǎn)量通過機械傳動轉(zhuǎn)化為主配壓閥先導(dǎo)級(引導(dǎo)閥芯)的直線位移量,再經(jīng)過主配壓閥內(nèi)部的液壓放大后,向接力器油腔供油。

一種基于攝影測量的懸垂控制器采用不透明的長方體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的橫截面積是正方形.管道頂點位置內(nèi)置八個LED燈，八個LED燈在空間上呈正方體分布，攝像頭位于LED3、LED4、LED7和LED8所在平面的中心位置，外部光照無法進入懸垂控制器內(nèi)部，因此，此結(jié)構(gòu)保證了目標電纜的背景簡單且光照均勻.

步進電機組成自復(fù)中電/機轉(zhuǎn)換器的電氣部分,可采用日本三洋公司產(chǎn)品,配以日本樂茲電機驅(qū)動器。三洋步進電機與樂茲驅(qū)動器配合使用,具有控制精度高,輸出力矩大,力矩特性好,慣量小,而且結(jié)構(gòu)堅固、性能可靠。步進電機的控制原理示于圖6。

圖6 步進電機控制原理

步進電機具有以下控制特點:

(1)脈沖數(shù)字控制,方便可靠;

(2)電源結(jié)構(gòu)簡單,無需逆變裝置,滿足雙重供電要求;

(3)采用閉環(huán)控制(閉環(huán)到絲桿輸出),可以電氣補償絲桿間隙;

(4)采用細分步控制,定位精度高。

機械部分包括機械傳動機構(gòu)和自復(fù)中機構(gòu)。其中機械傳動機構(gòu)是通過滾珠絲杠副實現(xiàn)把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的重要環(huán)節(jié)。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)形式是在絲杠軸和螺母之間塞進了鋼珠,這些鋼珠在螺紋道槽中循環(huán)滾動。它具有以下特征:

(1)因為是滾動的球接觸,所以啟動力矩小,可在低速下點動作精細的微動操作;

(2)因為采用的是精選材料(螺母和絲桿材料為烙鉬合金鋼)和經(jīng)過了優(yōu)化熱處理(滲碳后淬火硬度達HRC58～62),所以具有出色的耐久性;

(3)潤滑簡單,在正常運行條件下,只需定時加潤滑脂;

(4)傳動效率極高(通常 ＞90%),直線運動很容易地即可轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。

由此可見,滾珠絲杠副所具有的這些特征能夠保證電/機轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中運動傳遞的可靠性和精確性。圖7為自復(fù)中型位移轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)示意。

圖7 自復(fù)中型位移轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)示意

自復(fù)中機構(gòu)設(shè)置在電-機轉(zhuǎn)換器的下部,其中關(guān)鍵零件是用于復(fù)中的壓縮彈簧。首先該壓縮彈簧的材料是采用合金彈簧鋼絲,因為恒彈性合金熱膨脹系數(shù)很小,彈性模量在-50～+100℃之間基本無變化。熱處理工藝除了進行消除應(yīng)力回火處理,對表面還進行了噴丸處理,以清除彈簧表面的疵病,從而消除或減少疲勞源,提高疲勞壽命。然后進行壓縮彈簧的疲勞試驗,目的是檢驗其疲勞強度或壽命是否達到要求,從而保證彈簧的耐久性。最后確定彈簧的工作特性范圍,以使彈簧能在最佳線性區(qū)間工作。

自從步進電機或伺服電機控制自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換調(diào)速器誕生以來,在大型調(diào)速器(主配壓閥直徑Φ 80、Φ 100、Φ 150)上已得到廣泛應(yīng)用,在水輪機調(diào)速器的市場中所占份額也越來越大。

3 結(jié) 語

綜上所述,本文分別對目前國內(nèi)水輪機調(diào)速器市場上使用較廣的5類電液轉(zhuǎn)換部件進行了介紹。從中不難發(fā)現(xiàn),這些元件都是在工業(yè)控制和工業(yè)液壓領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用后而被引入到水輪機調(diào)速器行業(yè)來的。隨著液壓元件向高性能、高質(zhì)量、高可靠性、系統(tǒng)成套以及向低能耗、低噪聲、低振動、無泄漏以及污染控制的方向發(fā)展,結(jié)合調(diào)速系統(tǒng)的自身特點和特殊要求,通過不斷研究和改進,相信會有更多的工業(yè)控制產(chǎn)品和液壓標準元件將會在水輪機調(diào)速器中得到應(yīng)用。

[1] 魏守平.我國水輪機數(shù)字式電液調(diào)速器評述[J].水電自動化與大壩監(jiān)測,2003,5.

[2] 潘熙和.可編程計算機水輪機調(diào)速器研制及技術(shù)特點分析[J].長江科學(xué)院院報,2003,2.

[3] 李 晃.我國水輪機調(diào)速器行業(yè)產(chǎn)品概況及發(fā)展趨勢[J].電器工業(yè),2002,9.

[4] 王麗娟.幾種常見電液轉(zhuǎn)換元件的特點與比較[C]∥中國水電控制設(shè)備論文集.2004.