La servoválvula electrohidráulica es un componente clave en el control servo electrohidráulico. Se trata de una válvula de control hidráulica que acepta la salida analógica y ajusta el caudal y la presión. Ofrece una rápida respuesta dinámica, alta precisión de control y larga vida útil. Se utiliza ampliamente en sistemas de control servo electrohidráulico en las industrias aeronáutica, aeroespacial, naval, metalúrgica y química.
La servoválvula hidráulica es el componente central del sistema de control servo hidráulico, por lo que los libros del sistema de control hidráulico contendrán el contenido de la servoválvula electrohidráulica.
1. Proceso de desarrollo
El nacimiento de la tecnología de servoválvulas electrohidráulicas es resultado del desarrollo de la tecnología y los sistemas de control hidráulico. En vísperas de la Segunda Guerra Mundial, con el desarrollo de las necesidades industriales, la tecnología de control hidráulico se desarrolló a pasos agigantados, y muchos de los primeros principios y patentes de válvulas de control son producto de esta época. Por ejemplo, Askania Regulator y Askania-Werke inventaron y aplicaron el principio de la válvula de chorro. De igual manera, Foxboro inventó la patente del principio de la válvula deflectora de boquilla. La empresa alemana Siemens inventó una válvula de doble entrada con un motor de imán permanente, un receptor y entrada eléctrica, lo que la convierte en pionera en el sector aeroespacial.
Al final de la Segunda Guerra Mundial, la servoválvula era una válvula de control de bucle abierto de una sola etapa que impulsaba directamente el movimiento del carrete mediante un solenoide. Sin embargo, con la madurez de la teoría de control y las necesidades de las aplicaciones militares, el desarrollo de servoválvulas ha alcanzado grandes logros. En 1946, la británica Tinsiey obtuvo la patente de la servoválvula de dos niveles; Raytheon y Bell inventaron una servoválvula de dos etapas con retroalimentación; el motor de par MIT en lugar del solenoide para reducir el consumo de energía del motor y mejorar la linealidad. En 1950, WCMogog inventó por primera vez una servoválvula de dos etapas con una sola boquilla. De 1953 a 1955, THCarson inventó una servoválvula de dos etapas con retroalimentación mecánica; WCMoog inventó una servoválvula de dos etapas con dos boquillas; Wolpin inventó el motor de par seco, eliminando el problema de la contaminación líquida del aceite inmersa en el motor de par original provocada por la fiabilidad. En 1957, R. Atchley desarrolló la servoválvula de tubo de chorro de dos etapas, utilizando el principio de tubo de chorro Askania. En 1959, desarrolló una servoválvula de retroalimentación eléctrica de tres etapas. En aquel entonces, la servoválvula se utilizaba principalmente en el sector militar; con la llegada de la era espacial, se ha extendido su uso en el sector aeroespacial, desarrollando servoválvulas redundantes de alta fiabilidad y otros productos de vanguardia.
Al mismo tiempo, con la creciente expansión de las aplicaciones en la industria de las servoválvulas, algunos fabricantes desarrollaron servoválvulas industriales específicas para su uso en la industria. Posteriormente, se desarrollaron cada vez más servoválvulas para uso industrial. Presentan las siguientes características: mayor volumen para facilitar su fabricación; cuerpo de válvula de aluminio; primer nivel independiente para facilitar el ajuste y el mantenimiento; se utilizan principalmente en situaciones de baja presión por debajo de 14 MPa; y buscan crear una serie de productos estandarizados. Con el uso generalizado de servoválvulas en aplicaciones industriales, las empresas han introducido sus propias válvulas proporcionales adecuadas para aplicaciones industriales. Se caracterizan por su bajo costo, aunque la precisión de control no es comparable a la de las servoválvulas, pero gracias a la tecnología de control avanzada y dispositivos electrónicos avanzados, compensan su falta de rendimiento y eficiencia. Bosch desarrolló su icónica servoválvula de placa plana con piloto de tubo de chorro y retroalimentación eléctrica. Vickers ha desarrollado una válvula proporcional tipo KG con compensación de presión. Rexroth, Bosch y otros desarrollaron una válvula proporcional que controla el movimiento del carrete en ambas direcciones con dos bobinas.
2. Perspectivas del mercado
Los fabricantes de servoválvulas de producción son: Reino Unido Dowty, Estados Unidos Team, Estados Unidos Parker, Eaton Vickers, Alemania Bosch, Rexroth, etc.
Las servoválvulas electrohidráulicas, según su motor de par, se dividen en bobina móvil e imán permanente. La mayoría de las servoválvulas tradicionales que utilizan motores de par de imán permanente se dividen en deflectores de boquilla y de chorro. La producción original de servoválvulas de tubo de chorro, fabricadas por Abex (Estados Unidos), también fue adquirida por Parker. Sin embargo, debido a su buen rendimiento anticontaminación, alta fiabilidad y alta resolución, algunos fabricantes también están desarrollando o lanzando sus propios productos de tubo de chorro.
Hidráulico
servoválvula
Los productos se utilizan principalmente en aviación, aeroespacial, naval y otros sectores. Al mismo tiempo, la falta de cooperación entre las unidades de producción y la dispersión de las mismas dificultan el desarrollo de las servoválvulas y les impiden competir con productos extranjeros.
3. Tendencia de desarrollo
Actualmente, la tendencia de desarrollo de la nueva tecnología de servoválvulas electrohidráulicas se materializa principalmente en el diseño de nuevas estructuras, el uso de nuevos materiales y la combinación de tecnología electrónica, digital e hidráulica. El desarrollo de estas servoválvulas ha impulsado considerablemente el desarrollo de la tecnología de control hidráulico.
4.Diseño de nueva estructura
En la década de 1990, el desarrollo de la servoválvula electrohidráulica de acción directa fue un gran logro. Parker desarrolló la tecnología de accionamiento por bobina de voz (VCD), y las válvulas de control DFplus se desarrollaron sobre esta base. La llamada tecnología de accionamiento por bobina de voz, es similar al altavoz de un dispositivo de accionamiento, la estructura básica se establece en un imán permanente cilíndrico fijo en la bobina móvil, cuando la bobina de entrada de corriente de señal, el papel del efecto electromagnético, la bobina producida Y la corriente de señal correspondiente a la fuerza axial, y el accionamiento conectado directamente con la bobina del movimiento del carrete, la fuerza de accionamiento es muy grande. El sensor de retroalimentación de desplazamiento incorporado en la bobina, por lo tanto, utilizando la válvula DFplus accionada por VCD es esencialmente un control de bucle cerrado, la linealidad es bastante buena. El soporte completo de la válvula DFplus es la superficie de acoplamiento entre el carrete y el cuerpo de la válvula, lo que reduce en gran medida el efecto de la fricción en la calidad del control. Gracias a las características técnicas mencionadas, y al módulo de control digital integrado, la válvula DFplus ofrece un rendimiento de control superior, especialmente en cuanto a respuesta de frecuencia, hasta 400 Hz. En la actualidad, las nuevas servoválvulas electrohidráulicas de acción directa han reemplazado a las servoválvulas tradicionales en algunas industrias, especialmente las servoválvulas deflectoras de boquilla. Sin embargo, su mayor problema reside en su gran tamaño y peso, lo que las hace ideales para aplicaciones industriales. Por ejemplo, para reducir su peso y tamaño, existe un gran potencial de desarrollo en la industria aeronáutica, aeroespacial y militar.
Además, en los últimos años, se han incorporado nuevos tipos de accionamientos para servoválvulas, además del accionamiento directo del motor de par, también la aparición de motores paso a paso, servomotores, nuevos electroimanes y otras estructuras de accionamiento, así como estructuras de conversión directa de fluido-luz. La aplicación de estas nuevas tecnologías no solo mejora el rendimiento de las servoválvulas, sino que también impulsa el desarrollo de nuevas ideas, impulsando la tecnología de servoválvulas electrohidráulicas.
5.El uso de nuevos materiales
El uso actual de nuevos materiales en el campo de las servoválvulas electrohidráulicas se basa principalmente en componentes piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos gigantes y aleaciones con memoria de forma, fruto de la investigación y el desarrollo de convertidores. Cada uno de ellos posee excelentes características.
5.1 Componentes piezoeléctricos
El elemento piezoeléctrico se caracteriza por su efecto piezoeléctrico: bajo la acción de un campo eléctrico determinado, se producen cambios de tamaño. Dentro de un rango determinado, la deformación y la intensidad del campo eléctrico son proporcionales. Los componentes piezoeléctricos se fabrican principalmente con cerámica piezoeléctrica (PZT), materiales electroestrictivos (PMN), etc. Los materiales cerámicos piezoeléctricos típicos son las cerámicas telescópicas piezoeléctricas apiladas de la empresa japonesa TOKIN. El principio de la servoválvula de acción directa PZT consiste en conectar dos componentes piezoeléctricos multicapa a ambos extremos del carrete mediante una bola. El efecto piezoeléctrico del material piezoeléctrico produce el movimiento telescópico del carrete, logrando así una conversión electromecánica. La servoválvula deflectora de boquilla PMN se instala en la boquilla mediante una conexión fija del deflector con una pila piezoeléctrica. Mediante la extensión de la pila piezoeléctrica, la contracción entre el deflector y el espacio entre la boquilla aumenta o disminuye, de modo que la diferencia de presión en ambos extremos del carrete impulsa su movimiento. Actualmente, el desarrollo de convertidores electromecánicos piezoeléctricos está relativamente avanzado y se han utilizado ampliamente. Se caracterizan por una rápida respuesta de frecuencia y un ancho de banda de las servoválvulas que puede alcanzar incluso miles de hercios. Sin embargo, presentan histéresis, derivas fáciles y otras deficiencias que limitan el uso de componentes piezoeléctricos en servoválvulas electrohidráulicas.
5.2 Material magnetostrictivo gigante
El material magnetoestrictivo gigante (GMM) produce cambios de longitud o volumen mucho mayores bajo la acción de un campo magnético que los materiales magnetoestrictivos convencionales. El convertidor GMM se desarrolla utilizando el convertidor GMM. El convertidor GMM está conectado al carrete. Al controlar la corriente de la bobina de accionamiento, el GMM se impulsa y se extiende para impulsar el desplazamiento del carrete y controlar el flujo de salida de la servoválvula. En comparación con la servoválvula tradicional, la válvula no solo se caracteriza por su alta respuesta de frecuencia, sino también por sus ventajas de alta precisión y estructura compacta. Desde la situación actual, los materiales GMM, los materiales piezoeléctricos y los materiales magnetoestrictivos tradicionales se comparan con una gran deformación, alta densidad de energía, respuesta rápida, fuerza de salida, etc. La investigación en convertidores electromecánicos GMM y tecnologías relacionadas es muy importante en países de todo el mundo. El futuro necesita abordar la deformación térmica de GMM, la anisotropía magnetocristalina, la corrosión de materiales y los procesos de fabricación, la adaptación de parámetros y otros aspectos del problema para facilitar la alta tecnología. Este campo es ampliamente utilizado.
5.3 Aleación con memoria de forma
La aleación con memoria de forma (SMA) se caracteriza por su efecto memoria de forma. Tras su conformación a alta temperatura, se enfría a baja temperatura y se le aplica una fuerza externa. El metal en general, en su deformación elástica, se produce tras la deformación permanente, y al calentar la SMA a una temperatura superior, recupera su forma original a alta temperatura. La servoválvula desarrollada con esta característica es un actuador SMA que se enrolla en ambos extremos del carrete con una aleación con memoria de forma para accionarlo mediante calentamiento y enfriamiento, de modo que la aleación con memoria de forma en ambos extremos del carrete se alargue o se contraiga, impulsando la acción del carrete para moverse, a la vez que se añade retroalimentación de posición para mejorar el rendimiento del control de la servoválvula. En el caso de la válvula, la deformación de la SMA, pero su velocidad de respuesta es lenta y la deformación no es continua, lo que también limita su ámbito de aplicación.
En comparación con la servoválvula tradicional, el uso de nuevos materiales, el convertidor electromecánico desarrolló la servoválvula, generalmente con alta respuesta de frecuencia, alta precisión y estructura compacta. La servoválvula electrohidráulica se usa ampliamente en sistemas servo de posición, velocidad, aceleración y fuerza electrohidráulicos, y en servogeneradores de vibración. Tiene las ventajas de tamaño pequeño, estructura compacta, alto coeficiente de amplificación de potencia, alta precisión de control, buena linealidad, pequeña zona muerta, alta sensibilidad, buen rendimiento dinámico y respuesta rápida. La tecnología actual de servocontrol hidráulico ha sido capaz de controlar automáticamente la tecnología, la tecnología hidráulica y la combinación orgánica de microelectrónica para formar una nueva generación de productos de servoválvulas. Con el equipo electrónico, las estrategias de control, el software y los materiales, y otros aspectos del desarrollo y progreso, la tecnología de control electrohidráulico y los productos de servoválvulas estarán en la máquina, la electricidad y la integración de líquidos han logrado un gran progreso.
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