Сервоклапан линейный Yuken прямого управления для гидравлических компонентов

Разработки гидравлических компонентов последних лет делятся на два направления: разработки, связанные с модернизацией или снижением себестоимости уже существующих гидрокомпонентов с хорошими функциональными и эксплуатационными качествами, и высокотехнологические разработки, направленные на повышение конкурентноспособности продукции в условиях расширения первичного рынка и увеличения доли гидрокомпонентов с электроуправлением. В нашей статье мы хотим представить относящийся ко второму направлению — линейный сервоклапан.

Поводом для начала разработки данной продукции явилась необходимость в клапане управления с быстрым срабатыванием, надёжном, точном и с большой тяговой нагрузкой при использовании в высокоскоростных станках с ЧПУ для обработки металлических листов. Требования к данному виду станков заключались в: осевой нагрузке в 20~30 тонн, числе оборотов 300~2000 ударов в минуту (высокочастотный), высокой точности воспроизведения, высокоточной центровке.

Ранее в кривошипных прессах и станках, в которых использовались обычные гидрокомпоненты, для обеспечения вышеуказанных параметров использовались гидравлические сервоклапаны. Наша компания решила начать разработку высоконадёжного, энергосберегающего сервоклапана с ещё более быстрым срабатыванием, устойчивого к загрязнению (обладающий противоконтаминационными качествами) рабочего масла.

В основном, в гидрокомпонентах в качестве механизма переключения с электроуправления на гидроуправление пропорционального контроля или сервоконтроля используется либо сервоклапан с пропорциональными электромагнитами, либо сервоклапан с механизмом «сопло-заслонка» для двухступенчатого увеличения давления, но для достижения необходимых нам характеристик в таких клапанах наблюдались следующие недостатки:

• У клапана контроля потока, в котором используется пропорциональный электромагнит (рис.1), возникают проблемы со срабатыванием.

• У сервоклапана с механизмом «сопло-заслонка» – большая потеря энергии. (Из-за того, что золотник приводится в действие за счет увеличения маленького крутящего момента, вырабатываемого электродвигателем, за счет использования механизма «сопло-заслонка» и за счет увеличения давления). Также необходима установка гидросхемы для подачи стабильного давления. Все это вызывает дополнительные затруднения. Более того, необходимо контролировать чистоту рабочего масла.

	1. Якорь электромагнита 2. Катушка 3. Регулировка нейтрального положения золотника 4. Магнит регулировки нейтрального положения золотника 5. Магнит 6. Верхний магнитный полюс 7. Нижний магнитный полюс 8. Заслонка 9. Сопло 10. Пружина обратной связи 11. Гильза 12. Золотник 13. Демпфер 14. Внутренний фильтр 15. Порт цилиндра «B» 16. Возвратный порт «R» 17. Порт цилиндра «А» 18. Порт давления «P»
Рис.2 Сервоклапан с механизмом 'сопло-заслонка'

Гидравлические сервоклапаны с использованием линейного серводвигателя

Исходя из вышеизложенного, нами было принято решение начать разработку гидравлического сервоклапана с использованием линейного двигателя постоянного тока. Сначала мы приступили к разработке линейного двигателя, а также к разработке нижеуказанных новых технологий для гидравлических механизмов:

1. разработка малогабаритного высокоэффективного линейного двигателя с высокой мощностью с использованием магнита из неодима, железа, бора (Nd, Fe, В).
2. разработка сервоклапана с пониженной силой потока жидкости для повышения скорости срабатывания (пересмотр конструкции гильзы, золотника).
3. разработка системы контроля определения местоположения в целях повышения скорости срабатывания.
4. обеспечение отличных противоконтаминационных качеств.

В уже существуюших гидросервоклапанах ранее использовались линейные двигатели постоянного тока, но для создания магнитного поля в таких клапанах использовались магниты на основе сплава «Альнико» и электромагниты. Эти клапаны использовались в вальцовочных машинах, прокатных станках и линиях по производству стали. Клапаны данного типа были крупногабаритными и считались специальными клапанами для использования в неблагоприятных условиях работы. Используя постоянный магнит из редкоземельных металлов, неодима, железа и бора, мы ставили своей целью разработку универсальной продукции с малыми габаритами и с высокой мощностью.

Линейный двигатель, представленный в нашей разработке - с линейной обмоткой и называется LDM. Посредством монтажа постоянного магнита в магнитную схему создается постоянное магнитное поле. В это постоянное магнитное поле помещается катушка, на катушку подается электрический ток, и по закону левой руки Флеминга, катушка перемещается. Перемещение катушки в обе стороны возможно за счет мощности магнитного поля и способа подачи электрического тока. В общем случае движущую силу можно расчить по следующей формуле:

F = B · I · L

где

F - сила (H), B - плотность магнитного потока (Тл), I - сила тока (А), L - длина катушки (м)

Мы сконструировали гидромеханизм с малой силой потока, и спроектировали новый линейный двигатель с приводом от постоянного тока с малыми габаритами.

Золотник и подвижная катушка	Магнит и его корпус	Подвижная катушка

Сервоклапан линейный: работа и конструкция

Малопоточный скоростной линейный сервоклапан состоит из корпуса, линейного двигателя и датчика местоположения. Золотник клапана приводится в действие мощным и в тоже время малогабаритным линейным двигателем, а сам клапан снабжен специальным высокоскоростным усилителем, что позволяет устанавливать местоположение золотника автоматически. Благодаря всему этому наш клапан, по сравнению с обычным клапаном с механизмом «сопло-заслонка», обеспечивает намного более быстрое срабатывание. Данный малопоточный сервоклапан также выполнен и как управляющий клапан с большим потоком.

Конструкция малопоточного высокоскоростного линейного сервоклапана показана на рисунке 3. В корпус встроены сверхточнообработанные гильза и золотник, золотник соединен с катушкой в единое целое, и приводится в действие напрямую. Катушка в свою очередь работает, не соприкасаясь с постоянным магнитом и его корпусом, поэтому механическое запаздывание возникает только в части, где происходит трение золотника с гильзой. Более того, посредством использования диафрагмы клапана, исключено попадание рабочего масла в катушку.

Высокоскоростной датчик местоположения, во избежание воздействия постоянного мощного магнитного поля, расположен на противоположной стороне. Он также, для исключения трения, установлен на золотнике. Простота конструкции данного клапана, по сравнению с конструкцией сервоклапана с механизмом подвижного сопла-заслонки, очевидна.

Рис.3 Конструкция и внешний вид линейного сервоклапана прямого типа

Рис.4 Конструкция и внешний вид линейного сервоклапана с большим объемом

Сервоклапан линейный: особенности

1. Сверхскоростное срабатывание.

Частота сигнала в сервоклапане с механизмом «сопло-заслонка» составляет обычно около 100-150 Гц. По сравнению с ним, частота сигнала в высокоскоростном линейном сервоклапане составляет около 450 Гц, при 100%-ном ступенчатом сигнале – 2 мс. И даже в клапане большого потока – частота около 100 Гц, при 100%-ном ступенчатом сигнале – около 8 мс.

2. Отличные противоконтаминационные качества.

При использовании сервоклапана с механизмом «сопло-заслонка» требуется рабочее масло со степенью загрязнения до 7 NAS, а в случае использования высокоскоростного линейного сервоклапана возможно использование масла со степенью загрязнения до 10 NAS.

В сервоклапане с механизмом «сопло-заслонка» высокое соотношение внутренней протечки масла, поэтому его производят с зазором диаметра (щелью) только в несколько мкм. В отличие от этого, в высокоскоростном линейном сервоклапане, где золотник приводится в действие напрямую от линейного двигателя, возможно увеличение зазора диаметра золотника. За счет этого достигаются отличные противоконтаминационные характеристики.

Таблица 1. Сравнительная таблица особенностей гидросервоклапанов различных конструкций

Особенности ступенчатого сигнала в клапане LSVG-03-40		Особенности ступенчатого сигнала в клапане LSVHG-06-900
Частота ответного сигнала в клапане LSVG-03-40		Частота ответного сигнала в клапане LSVHG-06-900

Эксплуатационные качества

Как мы указывали выше, главной особенностью нашего клапана является быстрота срабатывания.

Примеры практического применения

Данный клапан может быть применен не только в той области, где использовались ранее гидросервоклапаны с механизмом «сопло-заслонка», но и в более широкой области применения с учетом его высоких противоконтаминационных качеств. Здесь мы представляем Вашему вниманию несколько примеров его практического применения:

1. Высокоскоростные пробивочные прессы.

Как мы указывали в начале нашей статьи, поводом для начала разработки данного клапана послужила возникшая необходимость в обеспечении пробивочного пресса устройством для определения местоположения золотника.

На схеме (рис.5) показана конструкция и пример гидросхемы узла привода, составленного из гидравлического цилиндра с датчиком местоположения золотника и данного сервоклапана.

Рис.5 Фрагмент схемы блока привода гидросистемы высокоскоростного пробивочного пресса

2. Термопластавтоматы (ТПА)

В условиях продвижения энергосберегающих технологий и активных разработок ТПА с электроприводом, для производства микрогабаритных электронных запчастей или сверхтонких изделий, используется комбинация гидросервоклапана и аккумулятора. Скорость в 800-1500 мм/с обеспечивает превосходство гидроцикла. Также в машинах для литья изделий под давлением в зависимости от используемого материала можно варьировать контроль скорости в 2, 4, 8 м/с.

3. Сталелитейное оборудование

В сталелитейной промышленности с давних пор используются гидрокомпоненты. Данный сервоклапан считается надежным для обеспечения высокого давления и противоконтаминационных качеств. Кроме этого в последнее время данный клапан очень часто используется в разного рода тестовом оборудовании. К примеру, используется при скоростных тестах, краш-тестах в автомобилестроении.

Дальнейшие разработки (перспективы)

Благодаря разработке линейного двигателя для гидрокомпонентов и линейного сервоклапана со сверхскоростным срабатыванием компания Yuken продолжает осваивать рынок гидрокомпонентов. В настоящее время мы работаем над проектом по началу серийного выпуска клапана, а также начали разработку более функциональной продукции и выпустили на рынок линейный сервоклапан с встроенным усилителем, малогабаритным линейным двигателем и уменьшенным датчиком золотника.

В нашей статье мы представили только некоторую часть из разработок нашей компании в области гидравлических компонентов. Мы надеемся, что все новшества и разработки позволят нашим клиентам расширить рынок новой продукции, а также помогут сформировать у Вас определенное представление о подходах и методах компании Yuken в стремлении к техническому совершенству.

Таблица 2 Технические характеристики.