污染控制对于比例阀与伺服阀的影响-来自液压 OEM 的观点

注：本文根据MOOG相关文章翻译整理

本文回顾了污染对高性能液压系统的潜在影响。基于实际示例讨论了组件和系统级别的设计注意事项。

1.简介

现代液压控制系统越来越多地使用伺服和比例控制阀。这些设备本质上处于控制最终产品的制造过程和质量的关键阶段。比例阀也用于物料搬运的辅助功能，其中时间至关重要。控制阀的故障将导致非常昂贵的生产损失，比预防成本高很多倍。

预防的主要方法是维护液压油的清洁度和化学成分。清洁度取决于为阀门和应用环境选择合适的过滤器。化学特性与诸如水含量和由于化学污染、过热或流体工作而可能发生的各种形式的分解等因素有关。

通过过滤器公司和液压油供应商提供的实验室测试，可以以相对较低的成本有效地监测这些因素。

过滤设计需要仔细了解对阀门、阀门设计、回路布局和操作环境的影响。如果仔细考虑这些因素，就有可能在一些最困难的环境中实现高可靠性和长寿命。

对元件和原理布局进行仔细评估以实现最佳解决方案非常重要。关键的系统元素是：

[1] 伺服阀和比例阀通常是过滤设计最重要的领域。本质上它们执行机器的关键控制功能；要求一致的操作和高可靠性。

[2] 泵和电机可以从坚固的定排量齿轮泵或叶片泵到具有精细间隙 [表 1] 和高成本的精密可变排量柱塞泵。在许多情况下，泵可能是规划过滤的关键因素。

[3] 如果上述组 [1] 和 [2] 得到适当保护，则构成液压回路平衡的辅助阀和组件通常会得到满足。可能有一些关于组件类型的考虑因素，例如在安全电路中，必须选择座式 [提升] 阀以避免因淤塞而锁定。

从实践经验来看，重点是伺服阀和比例阀的设计问题，其次是泵、电机和其他设备。很明显，在某些情况下，泵或电机非常重要；然而，尽管超出了本文的范围，应用于阀门的原理同样适用于任何液压元件。

* 估计的薄润滑油膜

* * 径向间隙

表 1：液压元件的典型临界间隙

2. 污染的影响

污染的结果可以简单地分为两个问题，这反过来又成为我们设计的目标：

2.1 短期故障

这些是由于阀芯卡住或孔口堵塞而导致的随机且通常不可预测的故障。这是成本最高的故障形式，因为它会导致意外关闭制造，并可能由于执行器运动不受控制而导致机器损坏。

典型的机制是：

2.1.1 颗粒堵塞——污染物滞留在阀芯和阀体 [或衬套 ] 之间的细微间隙中；颗粒也可能堵塞控制孔口，导致“硬过”情况或控制压力损失。在决定使用过滤解决此类问题时，了解间隙的大小和克服颗粒的驱动力非常重要。例如，量化线轴上的力的大小并不容易，但有一些可用的经验数据可以帮助估计需要克服的力的数量级 [图 1]。

可能导致这种故障的颗粒通常会导致功能故障。由于它们会卡在阀芯中，因此通常会对阀门的控制区域造成永久性损坏，这也意味着需要进行昂贵的维修或更换新阀门。

这通常通过选择 Beta 等级的非旁通高压过滤器来解决，以去除可能阻塞阀门功能的颗粒。

图 1：由于颗粒堵塞引起的阀芯锁定力

2.1.2 淤塞——任何滑阀都会出现这种现象。如果我们将阀芯固定在固定位置，并在整个边缘上施加高压，细小的“淤泥”颗粒会逐渐堆积，在 5-10 分钟内锁定阀芯。这就是为什么在可能涉及长时间待机的安全回路中使用提升型电磁阀的原因。传统的电磁阀（或复位弹簧）在 3-5 分钟后不会移动阀芯[图 2]。

淤积与压差、过滤不良、静止时间和阀门设计成正比。

图 2：由于淤积造成的阀芯锁定力

2.2 长期故障

无论过滤效果如何，所有阀门最终都会在任何系统中磨损。我们的目标是最大限度地延长这段时间，以确保我们实现阀门的长寿命和可靠的产品质量。

提供阀门寿命的简单陈述并不容易，因为这取决于：过滤、工作环境、阀门设计 [例如：阀芯行程]、控制系统性能要求、工作流体、工作频率和工作压力。

我们可以引用一些相同阀门可能发生的情况的例子。

示例 [a] 塑料吹塑机使用长冲程伺服阀来控制“型坯”厚度 – 我们有很多案例都采用了良好的过滤器维护，大修间隔时间长达 10 年。未正确维护系统的相同应用可能会在数月或数周内遭受灾难性故障 [通常是由于严重污染导致的颗粒堵塞]。

示例 [b] 在钢铁行业，有记载的流体不相容性 [化学侵蚀] 导致数周内发生故障的案例；管道改造的冲洗不良导致在数小时或数天内发生故障。在后一种情况下，系统经过清洁和过滤升级，因此我们现在在非常恶劣的操作环境中看到了多年的使用寿命。

那么长期的影响是什么呢？

除了停止阀门工作外，其他“清漆”或淤泥类型的污染物可能会逐渐积聚，从而降低阀门的控制质量，例如阈值和滞后。这将直接影响系统精度和可重复性。

第二个问题是阀门零件的腐蚀导致控制系统性能的损失。典型的磨损区域是：

a) 机械反馈伺服阀中的反馈球连接。反馈球上会出现平坦点，导致精细控制和致动器振荡的丧失。

b) 控制平台会磨损以增加零位泄漏和压力增益性能的一些损失。

磨损是高流速和污染的结合。通过回流管道过滤或离线过滤系统去除细小的淤泥级颗粒，可以最大限度地减少这种情况。

最后，在发生灾难性系统故障时，通常会提供“最后机会”过滤器来保护阀门的内部部件。这些过滤器通常由金属丝网制成，并内置于先导级供应管线中的阀体中 [图 3]。尽管它们相当粗糙[伺服阀 35-70 微米，比例阀 200 微米]，但随着阀门运行的延长，污染物会逐渐累积。这可能会导致阀门响应的损失，也可能导致阀门偏移，进而影响受控执行器的定位精度。作为一般规则，主系统过滤器应该保护“最后机会”过滤器。在某些情况下，此过滤器需要频繁维修并被指责为太小！这显然是症状，真正的原因是整个系统的污染控制不足。

图 3：机械反馈伺服阀

2.3 污染影响总结

短期

• 粒子干扰

• 淤塞

没有警告，对设备、生产和人员是灾难性的

非通过压力管线过滤器以及对阀门设计的适当考虑提供了针对短期故障的保护。

长期

• 磨损

• 淤泥

• 最后机会过滤器

影响控制系统性能关于 – 零偏移

• 压力增益曲线 [阀门]

• 零泄漏 [阀门]

• 反应较慢

• 振荡或不稳定

长期影响无法消除，但通过适当的设计，可以在需要维修或维修之前最大限度地延长阀门的使用寿命。这需要有效地应用淤泥层过滤。

3. 阀设计

为应用选择最佳阀门设计对控制系统性能以及定义过滤要求和可能的污染敏感性具有重要影响。充分了解阀门的工作方式和原因将为为客户开发的整体设计解决方案提供最大的好处。相反，对一组阀门相对于另一组阀门的相对污染耐受性的过度简化或概括将不可避免地导致代价高昂的问题。

例如，在为高性能液压系统选择泵时，我们应该仔细分析设计[活塞、叶片、齿轮]、工作压力、工作流体、占空比、轴承寿命和工作环境等参数。我们知道，如果泵的选择不考虑详细问题，就有可能会过早失效。在高压、重载循环应用中，泵的使用寿命因活塞配置和轴承设计而异。

同样，当我们比较不同制造商的伺服阀和比例阀时，系统精度和可靠性也存在显着差异。我们必须平衡设计目标与组件细节、组件成本和整体系统成本。本节包含一些重要功能，可作为分析新设计的示例，此处未涵盖。

同样，我们应该寻找对阀门的短期和长期影响。假设已经对阀门进行了评估，以满足控制系统在静态和动态特性方面的性能。这些参数也是阀门设计和制造方式的直接函数。

起点是制造商数据表中提供的规格以及高质量的横截面图或照片，以帮助了解阀门的工作原理。需要考虑三个主要方面：

[1] 内力

[2] 阀芯位置控制

[3] 设计公差

还有一些其他与污染敏感性相关的因素，这些因素往往在主要制造商之间具有共同的性能；通常是由于物理的基本定律！由于所使用的尺寸和材料相似，因此比例螺线管等常见的驱动装置往往会对给定的阀门尺寸产生相同的力。材料硬度的变化也很小，因此具有相似公差和性能的两个阀门将具有相当的磨损行为。显着的差异在于用于高含水量流体的阀门的陶瓷部件的开发。

然而，这些特征不适用于传统的电动液压阀。

3.1 内力

了解阀门内提供正确操作的力和阻碍操作的力，对于理解最佳过滤要求最有价值。力决定了 [a] 污染敏感性和 [b] 阈值/分辨率的短期和长期性能。

影响过滤设计的力量清单包括：

3.1.1 阀芯驱动力可能来自机电设备[电磁阀、力马达、音圈、力矩马达]或通过液压引导。

例如：对来自多个不同制造商的 CETOP 5 [NG10] 比例阀芯的审查揭示了可能的力水平范围很广。

表 2：阀芯驱动力比较

故障风险需要等同于由于颗粒堵塞 [图 1]、淤积 [图 2] 和流动力 [伯努利] 引起的潜在阻力。通过对阀门指令叠加抖动以及良好的淤泥液位过滤，可以减少与污染相关的故障。钢厂中使用的一些专门的单级阀采用特殊轮廓的衬套来抵消伯努利力，否则伯努利力会限制控制阀芯相对于致动音圈的尺寸。然而，这制造起来非常昂贵，并且市场上的大多数阀门使用两级或三级设计来提供针对这种流动诱导力的稳定控制。有限的流量补偿是通过在阀芯台面上加工的计量槽口控制流量或通过对阀芯及其控制台面进行成型来实现的。

图 4 显示了流动力如何影响控制，其中 CETOP 5 比例电磁阀的阶跃输入即使在目录规格下也会引起严重振荡。

这意味着除了控制问题外，比例电磁阀几乎没有或没有余量来克服额外的污染引起的力。

图 4：CETOP 5 比例电磁阀的阶跃响

3.2 阀芯位置控制

对于伺服阀和比例阀，阀芯能够定位在其总设计行程的任何位置。阀芯如何移动并保持在该位置将直接影响制造成本、系统精度和污染敏感性。下面使用并描述了三种方法。

3.2.1 开环 [OL] 或“无反馈”[参考 6.3]

通常，阀芯通过比例螺线管和反向弹簧之间的力平衡来定位。一些两级阀通过由微型减压阀控制的比例液压施加驱动力，该减压阀具有用于设置其值的比例电磁阀。

开环 [OL] 是：

• 制造成本最低

• 具有最差的总阀门误差 [表 3]

• 对污染更敏感[对弹簧移动的力没有余量]

• 在低成本比例阀中很常见，但在伺服阀中很少见

误差是由于定位弹簧随温度和阀门压力变化而变化。在阀门移动到导致高阈值和滞后值的新位置之前，必须产生额外的力来克服阀芯摩擦效应。

最大阀芯驱动力仅在阀门被命令为最大开度时可用。对于低信号、精细定位，力成比例地降低，从而使阀门比具有闭环 [MFB、EFB] 控制的阀门对污染更敏感。这种类型的阀门适用于低成本、频繁的“软开关”类型应用。

* D Ps= 40%Ps, D Pt= 10%Pt

表 3：阀门设计与百分比误差的比较

3.2.2 机械反馈 [MFB]

通过机械反馈弹簧 [图 3 和 5] 提供阀芯位置的闭环控制，可以显着改善阀门特性和污染敏感性。工业和航空航天领域中运行的大多数伺服阀

应用程序仍然在各种环境中以高可靠性使用这种技术。

来自先导级 [挡板-喷嘴、伺服喷嘴、偏转喷嘴] 的液压确保为机械闭环定位产生高阀芯驱动力。增加的复杂性使得设计制造成本高于开环 [OL]，但成本低于电反馈 [EFB]。

图 5：MFB 伺服阀的工作原理

3.2.3 电反馈 [EFB]

各种阀芯驱动装置可与电气闭环定位配合使用，以实现最佳控制和抗污染性。阀芯位置由短行程传感器 [LVDT] 测量，闭环电子设备提供阀门外部或越来越多的机载控制 [图 6]。EFB 阀正在成为许多行业中伺服阀和比例阀的首选解决方案。

在一系列制造商目录中比较相同的阀芯控制方法 [OL、MFB 或 EFB] 很有趣。表 3 中显示的比较是根据许多不同设计和制造商的数据表编制的。对于给定的解决方案，规格之间存在密切的相关性。

图 6：电反馈阀

3.3 设计公差

更精细的公差将更容易受到磨损和颗粒堵塞的可能性。这些尺寸是原始设计和制造目标的函数，例如：

[1] 喷嘴直径和出口间隙 [图 7]

[2] 阀芯直径间隙 [表 1]

[3] 阀芯行程 – 从高性能伺服阀的 0.250 到比例阀的 5-10mm。更短的行程意味着更快的响应，但更精细的制造公差。

[4] 阀芯控制平台重叠 – 范围从 10-20% 重叠比例阀到“轴切割”[零重叠] 伺服阀，需要对平台进行特殊保护以保持性能。一些比例阀的先导部分采用零重叠阀，使伺服阀和比例阀的部件保护要求相似。

所有容差都与短期和长期功能相关。它们将是评估伺服阀或比例阀过滤设计的重要因素。

图 7：Servo Jet 先导阀的典型间隙

3.4 阀设计概要 – [设计人员检查清单]

可能影响过滤设计的内力：

• 电磁阀/强制电机/音圈直接连接到线轴

• 用于喷射或喷嘴装置的扭矩马达

• 伯努利流动力

• 液压先导压力——所施加的供应压力百分比是多少？什么是驱动面积？

• 可能的污染力水平

需要考虑的典型领域：

• 喷嘴直径和出口间隙[喷嘴到挡板；喷射到接收器]

• 阀芯直径间隙

• 阀芯行程

• 控制土地重叠

• 提升阀与滑阀

4. 污染控制

液压过滤的目的是通过从流体中去除“造成损害”的颗粒来提高系统可靠性。

没有一个系统是不受污染的，污染源分为四个主要领域：

• 内置于组件和子系统中

• 在系统组装期间生成

• 维护产生

• 侵入，例如。气缸是污物泵，通过储液罐呼吸器。

典型液压系统中的油可以最好地描述为“以油为载体的浓缩磨料浆。”传统过滤器在控制磨料磨损颗粒的浓度方面做得很少。因为大多数系统中 95% 的颗粒低于 10微米，就需要利用过滤来有效控制“淤泥”颗粒。

淤泥范围内的颗粒已被证明是由磨料磨损、阀门卡住和油降解引起的设备停机的主要原因。防止淤泥循环和堆积可以将组件寿命延长 10 到 100 倍。

4.1 设计过滤系统

在为特定液压系统设计过滤时，需要采取五个基本步骤。

4.1.1 确定污染源并在需要时应用过滤器以提供额外保护。

– 对在受污染环境中运行的系统加压或使用呼吸气囊。

– 分离式联轴器有时用于快速更换轧机中的厚度控制执行器。压力过滤器应包含在此类执行器的液压管路中，以保护伺服阀。

4.1.2 根据本文第 3 节回顾伺服阀或比例阀的要求。控制阀应分解为各个阶段，以确定所有关键部件的过滤要求。

伺服阀或零重叠阀的共同特点是：

• 精确的控制边缘，需要阀芯阀套组件的高精度装配和归零（零重叠/轴切割）

• 静态性能（低滞后、阈值、分辨率）

• 高动态（意味着阀芯行程短）

对于比例阀，通常发现先导级的过滤满足大多数应用。然而，由于流动驱动力，主阀芯定位使用减压阀和直接驱动比例电磁阀通常需要良好的主级过滤。

• 精确控制边缘可用作先导阀的一部分，但不能用于主级

• 需要保护先导阀的静态性能。

• 短行程阀芯可用于先导阀，但主级公差相对较大。

4.1.3 整体系统布局，包括流量和占空比。有时，伺服系统是更大系统的一部分，消耗的油量相对较小。在这种情况下，建立一个单独的液压系统可能更实用。间歇性高流量系统应使用离线过滤系统，而不是尝试使用主回流管路流量。

4.1.4 定义设备和操作目标所需的清洁度目标（流体污染等级 ISO4406）。

4.1.5 根据原理图设计选择达到清洁度等级的过滤器（参见第 4.2 节）。

4.1.6 建立维护和监控程序以达到流体污染水平（ISO4406）。

4.2 过滤器选择

理想的安排总结如下：

• 在阀门或阀门的关键部件（例如导阀）之前使用 15 微米 (Beta 15³ 75) 高压过滤器。

• 在回流或旁通管路上使用 3 微米 (Beta 3³ 75) 低压过滤器。

这样做的理由是：

1.阀门可接受最大25微米的奇数颗粒。Beta 15³ 75 高压元件（不带旁通止回阀）即使在污染导致过滤器压降超过 7 bar 指示器水平时也能确保这一点。

2. 尝试用较小的、相对昂贵的、高压元件清洗油，既不实际也不经济。更便宜的低压元件要大很多倍，并且有可能在更理想的条件下连续过滤。（稳定的流动和较低的速度可提高过滤效率）。

• 如果油箱中的油量发生较大变化会吸入空气中的污染物，建议使用 3 微米低压元件作为空气呼吸器。

• 使用高流量三级阀可能会使全流量过滤变得非常昂贵。在这种情况下，使用先导阀的外部供应并完全过滤该流量；第三阶段对污染的敏感性要低得多。

• 始终使用污垢报警器/压力开关来合理更换元件。

• 使用更便宜的低压元件在启动时冲洗系统。请记住，新油可能被过滤到 40 微米，因此是“脏油”。

• 油箱容积应通过过滤器至少冲洗 100 次，并在压力开关（脏污警报）指示时更换滤芯。

图 8：推荐的液压系统过滤

4.3 伺服阀

大多数工业伺服阀倾向于指定从“正常操作”到“更长寿命”的清洁度范围。然而，从设计目标来看，“更长寿命”规格是首选，并且更高水平的污染（“正常操作”）往往表明短期目标。

由于第 3 节中讨论的设计差异，伺服阀的推荐清洁度水平并不统一，但表 3 提供了可以预期的清洁度水平 (ISO 4406) 的比较：

表 3：与 ISO4406 的污染水平比较

4.4 比例阀

比例阀有各种各样的需求，应逐步审查。

• 主级（液压先导）可以承受与一般系统液压系统相同的清洁度——通常取决于泵的寿命和可靠性。

• 先导级（或单级阀）根据驱动原理有不同的需求

– 伺服喷嘴/挡板喷嘴应为 ISO4406 19/15 至 16/13。

– 阀芯阀套（精细节流边）应为 16/13 至 14/11。

表 4 和表 5 是比例阀主要供应商的目录审查摘要。有趣的是，无论阀门设计如何，五个品牌之间在理想的过滤和清洁度规格方面都达到了 100% 的一致性。

基于所引用的最坏情况得出的结论需要谨慎，并且必须通过对第 3 节中讨论的设计细节的评估来确定。归根结底，大多数制造商都属于类似的顶级范围。

表 4：比例阀 – 推荐的清洁度等级

在表 4 中，“博世”对零重叠阀引用了 16/13，这应该等同于对其比例阀先导的要求。然而，出于某种原因，他们引用了稍高的等级 (17/14) 作为比例阀的规则。这种更高级别的阀门与 Rexroth、Parker 和 Vickers 等公司在间隙、阀芯驱动力和材料方面提供相同设计的阀门存在冲突。

* 在引用范围的情况下，较低的值是“更长的寿命”

表 5：推荐的比例阀过滤器

表 5 的注释：

(a) 过滤器规格取决于所需的清洁度等级以及相对于过滤器类型、回路位置（压力管线、回流管线、循环）、过滤器污垢保留和 Beta 等级如何实现。(b) 先导级或先导阀应 使用安装在主流中的高压过滤器（无旁路，但带有污垢警报），如果可能的话，直接安装在阀门的上游。

5．结论

高性能液压系统的有效过滤意味着：

• 了解阀门设计

• 设定和保持清洁目标

• 适合环境的过滤

• 过滤质量或更换滤芯没有捷径可走

• 定期监控和服务

良好的过滤将始终为液压系统的最终用户提供最低的机器运行成本和最大的可靠性。

原文始发于微信公众号（液压传动与控制）：污染控制对于比例阀与伺服阀的影响-来自液压 OEM 的观点