电液执行器的比较分析

Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ　Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１　１．２０１　１　电液执行器的比较分析　贾正伟　石博强　余　洋　李　猛　马肖丽　（北京科技大学机械工程学院，北京　１０００８３）　摘要：电液执行器是一种智能型机、电、液一体化动力装置，文章对伺服阀控制式和电动机控制式两种电液执行器在结构、液压系统　原理、控制方式、性能、应用等方面进行了详细的比较分析。　关键词：电液执行器；伺服阀；开式系统；闭式系统　中图分类号：ＴＨ一９．ＴＨ１３７．５　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８—０８１３（２０１１）１１－０００９—０４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ａｃｔｕａｔｏｒ　Ｊｔａ　Ｚｈｅｎｇ－ｗｅｉ　Ｓｉｌｌ　Ｂｏ——ｑｉａｎｇ　ＹＵ　Ｙａｎｇ　ＬＩ　Ｍｅｎｇ　ＭＡ　Ｘｉａｏ——ｌｉ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｉｓ　ａｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ．　Ｔｈｉｓ　ａｒｉｔｉｃｌｅ　ｍａｄｅ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅ——ｃｏｎｇｔｒｏｌｌｅｄ　ａｎｄ　ｍｏｔｏｒ——ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏ——ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｓｙｅｔｅｍ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｅｔｃ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｃｔｕａｔｏｒ；ｓｅｒｖｏｖａｌｖｅ；ｏｐｅｎ　ｓｙｓｔｅｍ；ｃｌｏｓｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｏ　引言　泵压力油输出方向和流量．对被控对象进行精确调控，　执行器作为一种动力装置，综合了气动、液压、控　如韩国ＲＰＭ、美国ＲＥＸＡ等电液执行器。　制、机电、计算机、通信等技术，可以快速、稳定地对被　ｌ　电液执行器与气动及电动执行器的比较　控对象的位置进行精确控制，不仅应用于各种阀门的　气动执行器的执行机构和调节机构是统一的整　驱动、控制中，而且现已广泛应用在电力、水利、冶金、　体，其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条　造纸、航天、管线、石化、工业装备、食品加工等领域众　式。采用气体做动力介质，最大的优点是安全性高，对　多需要动力驱动的部位【ｌ１２１。按所用驱动能源形式划分．　使用环境要求低，可应用于易燃易爆的工作场合。但由　执行器可分为气动执行器、电动执行器和电液执行器。　于气体的可压缩性，刚度相对较低的气动执行器响应　电液执行器将控制模块和液压动力模块集成一　较慢，分辨率欠佳，控制精度低，抗偏差能力较差，应用　体，分为直行程、角行程两种。控制模块发出指令到智　在动态力或摩擦较大情况下时，极易引起设备的不良　能可控电动机或伺服阀，控制液压动力模块以线性位　振动。且其能一重比差，功率密度低，较大驱动力的气动　移（或角位移）输出力（或力矩），驱动被控对象，并通过　执行器极其复杂、笨重而昂贵。虽然在高精度控制方面　位移反馈完成调节过程，实现各种功能控制。　不足，但由于气动执行器安全，易于操作、维护，初始投　目前市场上使用最多的电液执行器一般可分为两　资省，有较高性价比，在化工、航天等领域应用广泛。　种：一种是伺服阀控制式电液执行器，即传统的电液伺　电动执行器又称电动执行机构．使用单相或三相　服执行器，通常采用开式循环液压系统，通过控制伺服　电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆输出直线或旋转运动。电　阀调节液压油流动方向及流量大小，实现对被控对象　动执行器可输出相对恒定的驱动力，高度稳定，抗偏差　的调节。如德国的Ｒｅｉｎｅｋｅ电液执行器：另一种是电动　能力强，控制精度要比气动执行器高，不用借助其他辅　机控制式电液执行器，采用闭式循环液压系统，通过调　助系统可自动保位，但其结构复杂，易发生故障，维护　节步进电动机或伺服电动机的转向和转速来控制双向　费用高，调节过于频繁会引起电动机发热，减速齿轮易　磨损。此外，电动执行器运行缓慢，难于实现大驱动力，　收稿日期：２０１１－０４—２７　且存在过载保护实现困难、不良位置等问题［３１。电动执　作者简介：贾正伟（１９８５一），男，硕士研究生，现就读于北京科技大学机械　工程学院车辆工程专业，研究方向为液压系统的设计与研究。　行器最适合开／关操作，主要应用于动力厂或核动力厂。　９　液压气动与密封／２０１１年第ｌ１期　电液执行器集成了电动操作的简易性、液压的动　力快速、固态电子的可靠性和用户配置的灵活性，具有　响应速度快、控制精度高、输出功率大、结构紧凑等优　点。电液执行器克服了气动执行器的控制精度低、电动　执行器的可控性差等问题，在一定的应用场合和工作　环境下．具有无可比拟的优势，因而广泛应用在电厂、　石化等比较特殊的场合。表１对三种执行器在驱动力、　控制精度等方面进行了比较。　表１　气动、电动、电液执行器的比较　２　电液执行器结构及原理　２．１传统电液伺服执行器　传统电液伺服执行器将油源站与电液伺服系统集　成为一体［４１，所有部件如电动机一泵单元、伺服或比列控　制阀、液压缸、位置反馈组件、压力表、液位和温度报警　传感器、过滤器、溢流阀、单向阀等都安装在容器内部。　电动机通常为鼠笼式异步电动机．性能稳定．可满足电　液伺服执行器各工况要求，且价格较低。伺服阀为电液　伺服执行器的控制核心，既是电液转换元件，又是功率　放大元件，其功用是将小功率的电信号输入转换为大　功率液压能（压力和流量）输出，能够对输出流量和压　１０　力进行连续双向控制，从而实现对执行器位移、速度、　加速度和力的控制，动态响应速度快，控制精度高，结　构紧凑，广泛用于快速高精度的各类机械设备的液压　闭环控制中【５Ｊ。　依据伺服阀压力油源供给方式的不同，电液伺服　执行器通常又有两种：一种是采用双泵供油，电动机不　停的工作，伺服阀始终有压力油供给，以此来保证系统　调节的快速性，如Ｒｅｉｎｅｋｅ电液执行器，其液压原理如　图ｌ所示。另一种采用单泵一蓄能器组合作为伺服阀压　力油源，其简化液压原理如图２所示。　１一油箱２一电动机３一双联液压泵４一单向阀　５一液控换向阀６一溢流阀７一测压点　８一高压过滤器　９一压力继电器　１０一伺服阀　１１－双向液压锁　１２一双单向节流阀　ｌ３一溢流阀　１４一液压缸　ｌ５一限位开关　图１　双泵供油电液执行器液压原理　ｌ一油箱２一电动机３一液压泵４一吸油过滤器５一卸荷溢流阀　６一二位二通电磁阀７一单向阀　８一压力继电器９一高压过滤器　１Ｏ一手动截止阀　１１－泄压阀　ｌ２一蓄能器　１３一压力表　ｌ４一伺服阀　１５一双单向节流阀　１６一溢流阀　１７一液压缸　１８一限位开关　图２单泵一蓄能器供油电液执行器液压原理　图１所示双泵供油电液伺服执行器依靠电动机２　驱动双联泵３经过过滤器８和伺服阀１０将液压油送　人动力液压缸ｌ４中。泵３．２供油到伺服阀，当有小的控　制偏差时也供油到动力液压缸。当控制偏差小时，泵　３．１由液控换向阀５和溢流阀６控制转换到循环状态，　实现其卸荷。在要求大容量动作的情况下，泵３．１也供　油到动力液压缸。这样的组合，一方面可确保在大的控　制偏差下有足够的油量使活塞以所需要的速度运行；　另一方面，保证仅提供所需要的油量来满足要求，避免　无功损耗和过多的发热；最重要的是执行器工作时伺　服阀始终有压力油源，可保证其调节控制响应速度。　测压点７处接压力表可检测液压泵的输出油压，　单向阀４实现双泵合流，双向液压锁１１可实现动力液　压缸保位，双单向节流阀１２为回油节流调速。双向液　压锁、双单向节流阀可根据使用情况来决定是否应用。　单泵一蓄能器供油电液伺服执行器依据泵和蓄能器规　格、伺服阀油源、工作方式的不同又可分为两种：一种　是采用定量泵一溢流阀作定压油源：另一种是采用定量　泵一蓄能器一卸荷阀作油源。　定量泵一溢流阀式执行器（无压力继电器）工作时　电动机２不停地运转．通过定压溢流阀５的溢流使供　油压力恒定，结构简单，反应迅速，压力变动小。液压源　的流量按系统控制流量确定．系统效率低．发热和温升　大。利用蓄能器可减小泵的规格，降低系统压力波动和　负载流量变化对油源压力的影响问。一般适用于中低压　电液伺服执行器。　定量泵一蓄能器一卸荷阀式执行器工作时，当蓄能　器内的油压达到压力继电器８．１设计上限时，电动机２　停止运转，靠蓄能器１２储存的高压油来维持执行器的　工作，一旦蓄能器内的油压降到８．１下限．电动机自动　启动，向蓄能器补充高压油，如文献　中所介绍的自容　式电液执行器。过于频繁启动会降低电动机和泵的寿　命，根据使用情况，供油压力变动范围也可由压力继电　器８．２通过卸荷溢流阀５和电磁阀６控制．泵卸荷时，　由蓄能器保压供油。该系统供油压力在一定范围内波　动，一般的电液伺服执行器均可适用。可根据使用情况　选用或弃用一些液压元件，比如图２中双单向节流阀。　上边所述电液伺服执行器均为闭环控制系统，图３　为其控制方框图。　Ｌ————　位移传感器卜＿—＿＿Ｊ　图３　电液伺服执行器控制方框图　目标位置指令信号和位移传感器反馈信号比较后　Ｈｖｄｒａｕｌｉｃｓ　Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１　１．２０１　ｌ　产生的偏差信号经伺服放大器放大后输出一个与偏差　信号成一定函数关系的控制电流驱动伺服阀，调节液　压油流动方向及流量大小．控制液压缸按指定方向运　动，实现对被控对象的调节，直到指令信号和反馈信号　偏差为零或在容许范围之内，调节过程才会停止。　２．２　电动机控制式电液执行器　市场上电动机控制式电液执行器无论是液压系　统、控制方式还是工作过程都大同小异，均采用步进电　动机或伺服电动机、高精度双向齿轮泵、液压缸、油箱、　反馈组件等。所有组件均与外部独立、封闭，高度集成，　模块化、小型化设计　。　电动机控制式电液执行器简化液压原理如图４所　示，为闭式循环液压系统．采用等量泵人／吐出原理进行　工作，效率较盲【Ｂ］。当执行器得到液压缸活塞向上移动　的指令信号时，伺服电动机或步进电动机２驱动液压　泵３旋转．泵Ｂ口输出的压力油经液控单向阀进入双　作用液压缸８下腔．推动活塞上移．同时，液压缸上腔　回油直接作用在液压泵的吸人口Ａ上．回油背压变为　推动液压泵旋转的动力，可减少电动机的功率消耗　；　当得到相反的指令信号时，电动机驱动液压泵反向旋　转，压力油推动活塞下移；当活塞移动到预定位置时，　电动机及液压泵停转，双向液压锁６确保动力液压缸　原位锁定。电液执行器油压超过溢流阀７设定压力时，　溢流阀开启溢流，实现过载保护。由于泄漏、溢流等因　素引起循环液压油不足时，系统会产生一定真空，油箱　的液压油经过滤器４、单向阀５等被吸人液压泵低压吸　油Ｅｌ，补充系统液压油损失，防止气穴等现象的发生。　ｌ一油箱２一电动机３一双向液压泉４一吸油过滤器　５一单向阀６一双向液压锁７一溢流阀　８一液压缸９一限位开关　图４电动机控制式电液执行器液压原理　与电液伺服执行器不同，目标指令信号与位置反　馈信号比较放大后控制的是伺服电动机或步进电动　机，图５为其控制方框图，通过控制电动机转向和转速　来调节双向定量泵的转向和流量输出。　图５　电动机控制式电液执行器控制方框图　（下转第３５页）　１１　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ　Ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓ＆Ｓｅａｌｓ／Ｎｏ．１　１．２０１　１　４结论　（１）精密数字液压机系统能精确控制整个压装过　程所需的压力与流量，消除高压节流的能源损耗，达到　节能省电的效果，并同时降低系统油温和噪声污染，是　一举数得的最佳系统。　（２）最高节能率达８０％，平均节能率６０％以上。　（３）智慧、节能、环保。　参　考　文　献　臻《　鞋日　葺干　　４ｌ５　４　２０　４　２５　４　３０　ｌ；庭　【１】　雷天觉．新编液压工程手册【Ｍ】．北京：北京理工大学出版社，　１９９８．　图３频率响应特性曲线　【２］海锦涛．锻压手册［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９６．　【３】帅长红．液压机设计、制造新工艺新技术及质量检验标准规　范【Ｍ】．北京：北方工业出版社，２００６．　［４】孙友松，周先辉，等．交流伺服压力机及其关键技术［Ｊ］．锻压技　术，２００８（４）．　精　省ｌ乜液压机　原先控制系统　图４消耗功率测试图　一＋－＋一＋－＋－＋－—－＋一一—－＋一－—－＋一一—－　一－——｝一－—・●一一——　一—＋－－—●一＊＋一＋－＋－—・　一＋＊＋－＋一＋－＋－＋・　（上接第１１页）　根据设置时确定的行程和信号范围，位置控制处　理器把外部送入的指令信号转化为目标位置，执行器　的当前位置通过装在执行器上的位移传感器测定。目　标位置和当前位置的差值为控制偏差，如果偏差超出　了用户设定的死区，执行器将启动电动机，驱动液压泵　旋转，调节执行器输出到预定位置，运动到位后电动机　及泵停转【ｌｌ。　４结论　在不同的应用环境下，气动、电动、电液执行器各　有自己的优势．本文总结了三种执行器的优缺点，并以　伺服阀控制式和电动机控制式两种类型电液执行器为　例，从液压原理、控制方式、结构、性能、应用等方面作　了详细的比较分析，对执行器的设计和使用有一定的　实用价值。　参　考　文　献　【１］李蕊，魏宏林，肖军．一种新型电液执行器与传统电液伺服执　３　电液执行器的应用分析　高精度的电液伺服执行器输出推力大，全行程时　间短，响应快，控制精度高，无超调，运行非常平稳，适　行器的比较［Ｊ］．机械研究与应用，２００３（Ｂ０８）．　【２】张兴政，马仁库，聂强．ＲＥＸＡ电液执行器在汽轮机ＤＥＨ中的　合于高压差、高黏度介质等严酷工况条件。但其往往需　要配套使用一个液压站或者带一套伺服控制系统，体　积庞大，对液压油清洁度要求高，往往存在泄漏等问　题，而且生产成本、使用成本（能耗和维护费用）高。因　而仅在少数需要大驱动力或高精度连续调节控制的时　应用ｆＪ１．发电设备，２００３（４）．　【３】　Ｂｒｉａｎ　Ｎｅｓｂｉｔｔ．Ｈａｎｄｂｏｏｋ　ｏｆ　Ｖａｌｖｅｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ【Ｍ］．　Ｇｒｅａｔ　Ｂｒｉｔａｉｎ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ　ｉｎ　ａｓｓｏｃｉＡｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　Ｒｏｌｅｓ＆　Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ　Ｌｔｄ，２００７　［４］纪云锋，罗作桢，侯林鹏．采用自容式电液执行器的汽轮机数　候才使用。　和传统电液伺服执行器相比，电动机控制式电液　字电液控制系统［Ｊ］．发电设备，２００８（４）．　【５］张利平．液压阀原理、使用与维护【Ｍ】．北京：化学工业出版社，　２００５．　执行器，体积小、重量轻，安装、使用方便，生产、使用成　本低．只在需要调节时电动机和泵才会启动。性能优　越，能达到电液伺服执行器大多数指标。虽然电动机控　【６】裴学智．液压冲击消除措施的探讨与应用［Ｊ］．液压气动与密　封，２０１０（２）．　制式电液执行器有诸多优点，但在大功率、大行程、大　惯量、复杂的特性补偿方面无法实现，而传统的电液伺　服执行器则有明显的优势Ⅲ。　【７］杨亮，葛春光，宋占国．青汽ＣＣ１２型机组基于ＲＥＸＡ电液执　行器的ＤＥＨ改造『Ｊ１．沈阳工程学院学报：自然科学版，２００７（１）．　【８】张勤，智强．闭式液压系统液压泵的零位调整ＩＪ１．液压气动与　密封『Ｊ１．２０１０（６）．　３