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漫谈液压阀发展简史与趋势

流体传动与控制技术发展至今已成为一门较成熟的应用技术。它凭借功率密度大、布局灵活、传动平稳、无级调速等特点,在工业领域的应用越来越广泛。作为液压系统的控制元件,液压阀的发展具有两面性:一方面他制约着流体技术的发展,另一方面他也对流体传动与控制技术发展起导向作用。

  回顾液压阀的发展,其有着漫长的历史,再次回顾液压阀的发展历史,认识其发展规律,总结其发展方向,有助于展望其未来的发展趋势。

  液压阀最早的原型是阀门,阀门最早出现于水利和治水工程,此时的阀门主要用来截止水流、或者改变水流方向。既不追求严格的密封性能和流量调节,也没有压力调节的概念。

  后来随着蒸汽技术的出现,为保证锅炉的安全使用,出现了类似安全阀的装置来实现压力保护。从而将压力调节的概念引入到流体技术中。

  十八世纪七十年代,蒸汽技术取得了突破性发展。蒸汽机的发明使阀门进入了机械工程领域,在瓦特的蒸汽机上除了使用旋塞阀、安全阀和止回阀外,还是用了蝶阀,可以调节流量。随着蒸汽机流量和压力的增大,使用旋塞阀控制蒸汽机的进气和排气已不能满足需要,于是出现了滑阀。滑阀的出现对液压传动技术来说具有重要的意义,基于滑阀可以实现方向控制,也可以实现流量调节。方向控制和流量调节的实现扩广了流体传动技术的应用领域。如果此前只是在单纯的利用流体传动,那么现在可以主动地对流体传动进行控制。

  十九世纪是液压气动技术走向工业应用的世纪。工业革命以来的社会产业需求刺激了液压技术及元件方面的不断进步,此时传统的开关阀发展已相当成熟,各种压力阀、流量阀、方向阀相继出现。

  二十世纪伴随着制造业、冶金钢铁、石油矿业等领域的发展,将流体传动与控制技术的应用推向了顶峰:

  1936Harry Vickers 发明了以先导控制压力阀为标志的管式系列液体控制元件,之后简单的通断式液压控制阀问世,为工业的发展提供了强大的动力源。但是他们组成的回路和系统,在控制的功能、精度及动作时间方面,往往不能满足某些使用场合的要求。

  50年代,线性控制理论的形成对液压控制技术的发展产生了深刻影响。由于航空航天伺服控制系统的实践需要,电液伺服元件及系统相继问世,液伺服阀是电子和液压两门技术结合,能满足自动控制更高要求。具有控制精度高、响应速度快、体积小,由于需要反馈回路,系统较复杂,元件及整个系统的造价昂贵,且工作条件要求严格,这给使用和维护带来很大困难。

  60年代后期,各类民用工程对电液控制技术的需求,显得更加迫切和广泛,这些液压系统通常只希望采用较简易的电气装置,来实现对精度和响应速度要求不太高的控制。并且大多数都是不要求反馈的开环控制。另外希望它们对液压系统污染控制要求不很高,满足工作可靠、使用维修简单的目的。比例控制阀正是根据这种需要产生,它在通断式控制元件和伺服控制元件的基础上发展起来的一种新型的电-液控制元件。

  随着工业液压的发展,要求液压系统的模块化、集成化布置,从而出现了板式以及叠加式液压元件,从而使液压技术的发展进入了一个新的阶段。它使液压系统结构紧凑,减少阀间的管道连接,便于安装、使用和维修。但是,用这些常用的液压阀构成的集成系统的各种方式,仅对小流量的液压系统能收到较为良好的效果,对中、大流量系统,还只能采用管道进行阀间连接,组成系统。由于流量大,管道粗,因此配管工作量大,安装、维修困难,且易出现漏油、振动等弊病,这就构成了液压技术发展中的一个难题。

  70年代初,液压逻辑阀(两通插装阀)出现解决了大流量液压系统的应用问题,它不仅能实现常用液压控制阀的各种动作要求,而且和普通的液压阀相比,在控制同等功率的情况下,具有重量轻,体积小,功率损失小,动作速度快和易于集成等突出的优点,特别适用于大流量液压系统的控制和调节。

  80年代的主要进展是比例技术和二通插装技术相结合形成了一系列二通比例压力、流量、方向控制组件,配以各种参数检测反馈和电子或微机控制单元,使液压系统性能大幅度提高,系统大幅度简化,更好的适应了中大功率工程控制的技术要求。形成80年代有特色的比例插装技术。

  90年代机电一体化已成为国外工程机械发展的趋势。将液压技术与计算机、自动控制等相互交融,从而提高了液压控制元件的自动化程度,改善作业性能,实现高效节能的目的。数字阀也是在这种背景下诞生的,与比例阀、伺服阀相比,这种阀结构简单,工艺性好,价廉,抗污染能力强,重复性好,工作稳定可靠,功率小。但是它的发展速度不快,应用范围也不大。这是由于数字阀的类型都有自身的局限性,一般数字阀主要用于先导控制和中小流量控制场合,例如数控电液伺服阀或者数控比例阀等。

  21世纪的,研究者充分利用其他学科的发展来发展液压技术,像应用计算机仿真与设计、计算机集成制造、计算机智能控制、计算机模糊控制等,实现了液压技术的机电一体化、智能化和网络化。液压阀的发展和液压技术的发展息息相关。

  液压阀目前的发展动态大致有如下几个方面:

  1、节能性

  开发高效率的液压阀,如低功率电磁换向阀,

  2、控制性

  计算机的普遍使用和各种传感器的开发以及控制理论的发展,为液压阀改善性能、提高控制性创造了条件。提高电液伺服阀的性能(如流量控制性、频率特性)以扩大应用范围,开发高性能电液比例阀(为克服死区、提高响应性、静特性与重复性)及数字控制阀等,以满足微机控制系统和数字控制系统的需要。

  3、可靠性

  液压阀向高压、高速化发展的结果,必然要求提高可靠性和寿命。为此发展了有关液压阀特性的基础性研究。例如,固定节流孔与可变节流孔动特性的研究,作用在滑阀上的瞬态液动力的实验研究、超高速电液伺服阀中瞬态液动力的计算、作用在内流式锥阀上的液动力的实验研究、液压阀气穴的研究等。

  4、智能化

  为实现远距离控制或遥控,液压阀越来越多使用电气控制,即通过电信号来使液压阀实现自动控制。目前有一种智能型组合阀,也叫可编程电液控制阀,是将电子技术、计算机控制技术和通用液压阀进行融合构成可编程电液控制阀,它是通过控制几个通用电液阀的控制逻辑和各个阀之间的协调逻辑,来实现相当于普通电液控制阀的功能。

  5、绿色化

  随着人们环保意识的不断提高,以及可持续发展理念的提出,未来液压技术的介质、材料、工艺、产品将要符合生态与环保的要求,符合可再生、可持续发展要求,液压阀势必满足“绿色设计、绿色工艺、绿色产品”的概念,从产品结构,产品材料,产品工艺及产品运行过程应均符合生态环保要求。

  伴随着其他的学科的进步与发展,流体传动与控制技术将被引入到新的领域。未来流体传动与控制技术将在以下领域取得突破:

  随着生命科学与生物技术不断取得新的突破,以及纳米材料、纳米工艺的进展,将对流体传动与控制技术的设计观念与方法产生深刻的影响并带来革命性的变化,将可能使流体传动与控制元件加工精度及表面质量达到纳米量级,从而使元件的效率、控制精度、寿命得以大大的提高。同时以此发展出微型液压阀,从而使微型液压系统在仿生机械、人造器官、等技术领域发挥举足轻重的作用,成为新的技术前言。

  近几年3D打印技术的发展为液压阀的制造开辟了新的道路。