Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Пропорциональные клапаны и сервоклапаны — два класса электрически модулируемой гидравлической аппаратуры, в которых положение золотника плавно меняется в зависимости от величины входного электрического сигнала. Внешне устройства решают одну задачу — управление направлением, расходом или давлением рабочей жидкости пропорционально команде, но различаются конструкцией каскадов, способом обратной связи, точностью, динамикой и требованиями к чистоте жидкости.
В статье разобраны принцип действия, типы первого каскада (сопло-заслонка и струйная трубка), пилотное (двух- и трёхкаскадное) управление, обратная связь по золотнику и нагрузке, гистерезис и зона нечувствительности, частотная характеристика, а также инженерные критерии выбора между пропорциональным клапаном и сервоклапаном.
В терминологии ГОСТ 17752-81 устройства этого типа относятся к электрогидравлическим распределителям (точнее — к дросселирующим электрогидравлическим распределителям и усилителям). На международном уровне они описаны в серии ISO 10770 «Hydraulic fluid power — Electrically modulated hydraulic control valves»: часть 1 (действующая редакция ISO 10770-1:2009) распространяется на четырёхпортовые направляющие клапаны, часть 2 (ISO 10770-2:2012) — на трёхпортовые, часть 3 (ISO 10770-3:2020) — на клапаны давления.
Формально сама серия ISO 10770 не разделяет аппарат на «пропорциональный» и «сервоклапан» по конструкции. Различие зафиксировано через испытательное давление: рабочая характеристика расхода сервоклапана снимается при перепаде 7 МПа на клапане, пропорционального — при 1 МПа. На практике это разделение отражает разную инженерную идеологию: сервоклапан проектируется как высокоточный преобразователь сигнала в расход с малым гистерезисом и почти нулевой зоной нечувствительности, пропорциональный клапан — как универсальный регулирующий распределитель с большим расходом и менее жёсткими требованиями.
Сервоклапан — это, как правило, двух- или трёхкаскадный аппарат с пилотным гидроусилителем и механической либо электрической обратной связью по положению золотника. Пропорциональный клапан — обычно одно- или двухкаскадный аппарат с прямым приводом золотника пропорциональным электромагнитом.
В двухкаскадном сервоклапане с гидроусилителем сопло-заслонка первый каскад образован моментным двигателем (torque motor) с постоянными магнитами и якорем, к которому жёстко закреплена заслонка. Заслонка располагается симметрично между двумя противоположными соплами. Подача рабочей жидкости в сопла осуществляется через постоянные жиклёры (балластные дроссели), сами сопла открыты в сливную камеру.
При подаче управляющего тока в обмотки моментного двигателя на якоре возникает момент, пропорциональный сигналу: якорь и заслонка поворачиваются, перекрывая один из жиклёров. Это вызывает перепад давлений между торцевыми полостями золотника основного каскада, под действием которого золотник смещается. Перемещение золотника продолжается, пока момент обратной связи (от деформации торсиона или плоской пружины обратной связи) не уравновесит электромагнитный момент. В равновесии заслонка возвращается в нейтральное положение, а смещение золотника пропорционально входному току.
В струйнотрубном гидроусилителе первый каскад образован поворотной струйной трубкой, в которую подаётся рабочая жидкость под давлением, и неподвижным приёмником с двумя приёмными отверстиями. В нейтральном положении трубка направлена строго между отверстиями, давления в обоих симметричны. Управляющий ток разворачивает трубку, и часть струи перенаправляется в одно из отверстий: возникает перепад давлений, который смещает золотник второго каскада.
По сравнению с конструкцией сопло-заслонка струйная трубка менее чувствительна к загрязнениям в первом каскаде, поскольку поток в дросселирующих сечениях направлен от подачи к приёмнику, а не через узкие зазоры между заслонкой и соплом. В то же время утечка через первый каскад выше, а конструкция первого каскада сложнее.
В пропорциональном клапане прямого действия золотник перемещается непосредственно одним или двумя пропорциональными электромагнитами. В отличие от дискретного электромагнита, пропорциональный электромагнит развивает усилие, пропорциональное току в обмотке, и удерживает якорь в промежуточном положении. Золотник возвращается в исходное положение центрирующими пружинами; смещение золотника определяется балансом усилия электромагнита, реакции пружин и гидродинамических сил.
Рабочие кромки золотника пропорционального клапана профилируются: вместо прямых кромок дискретного распределителя выполняются специальные пазы или треугольные канавки, обеспечивающие приближённо линейную зависимость расхода от смещения золотника. Прямое действие применяется в типоразмерах до NG10 включительно (монтажные интерфейсы по ISO 4401, для них же приняты обозначения CETOP 3 и CETOP 5); при больших расходах золотник становится тяжёлым, а усилия электромагнита недостаточно, и используют пилотную (двухкаскадную) схему.
Деление электрогидравлических распределителей на одно-, двух- и трёхкаскадные определяется числом ступеней преобразования сигнала. Чем выше расход через клапан, тем большее усилие требуется приложить к золотнику для его перемещения против гидродинамических сил и тем сложнее реализовать управление одним электрическим преобразователем.
Под пилотным управлением понимают использование вспомогательного маломощного гидравлического каскада для перемещения золотника основной ступени. В сервоклапанах пилотный каскад — это всегда первая ступень усилителя (сопло-заслонка, струйная трубка или дефлекторно-струйный элемент). В пропорциональных клапанах пилотным каскадом часто служит малый пропорциональный распределитель с прямым приводом, выходные давления которого подаются на торцы основного золотника.
Для пилотных клапанов необходимо обеспечить требуемые давление и расход управления (Pilot pressure, Pilot flow). При недостаточном давлении управления золотник либо не перемещается на полный ход, либо реагирует с задержкой и снижением частоты отсечки; превышение давления нарушает условия испытаний по ISO 10770-1.
Обратная связь — ключевой признак, по которому сервоклапаны отличают от обычных пропорциональных. Сервоклапан в классическом исполнении содержит внутренний контур регулирования по положению золотника. В пропорциональном клапане прямого действия золотник в простейшем случае не имеет датчика положения, и его смещение определяется балансом электромагнита, пружины и гидродинамических сил без коррекции по фактической координате.
В двухкаскадном сервоклапане с обратной связью по положению золотника между основным золотником и якорем моментного двигателя устанавливается гибкая пружина обратной связи — упругая проволока (feedback wire) с шариком на конце, который входит в кольцевую проточку золотника. Смещение золотника вызывает деформацию пружины, передающую момент на якорь в направлении, противоположном электромагнитному. Когда деформация пружины уравновешивает электромагнитный момент, заслонка возвращается в нейтральное положение и золотник останавливается. В результате положение золотника однозначно определяется управляющим током.
Кроме обратной связи по положению, в сервоклапанах применяются обратные связи по перепаду давления нагрузки и по расходу. Сервоклапан с обратной связью по давлению реализует пропорциональность между током управления и перепадом давлений в полостях гидродвигателя; такой аппарат используется в системах управления усилием. Обратная связь по расходу применяется реже.
В современных серво- и сервопропорциональных клапанах механическая обратная связь во многих случаях заменена электрической. На золотнике закреплён сердечник линейного дифференциально-трансформаторного датчика (LVDT — Linear Variable Differential Transformer). Сигнал датчика положения поступает на встроенный или внешний усилитель-регулятор, где сравнивается с командным сигналом; ошибка по положению используется для формирования тока в обмотке привода. Контур регулирования замыкается на уровне самого клапана с собственной полосой пропускания, что обеспечивает повторяемость и подавление влияния гидродинамических сил, температуры жидкости и колебаний давления питания.
В пропорциональных клапанах добавление LVDT превращает аппарат в так называемый сервопропорциональный клапан — конструктивно это пропорциональный распределитель, динамические и точностные характеристики которого приближаются к сервоклапанным. Без датчика положения пропорциональный клапан работает в разомкнутом контуре, и его точность определяется собственно конструкцией и стабильностью характеристики электромагнита.
Гистерезис — это максимальная разность выходного параметра клапана (расхода, давления или смещения золотника) при одном и том же значении входного сигнала при движении сигнала «вверх» и «вниз». Выражается в процентах от номинального диапазона входного сигнала или выходной величины. Физически гистерезис обусловлен сухим трением в направляющих золотника, магнитным гистерезисом в материале якоря и сердечников, а также гидродинамическими силами, действующими на рабочие кромки.
Качественно картина выглядит так: если плавно увеличивать ток управления от нуля до номинального значения, а затем плавно уменьшать обратно, точки расхода при одинаковом токе на восходящей и нисходящей ветвях не совпадают. Максимальное горизонтальное расстояние между этими ветвями, отнесённое к диапазону входного сигнала, и есть гистерезис.
Зона нечувствительности (deadband, dead zone) — диапазон входного сигнала вблизи нуля, в пределах которого выход клапана отсутствует или пренебрежимо мал. У золотникового распределителя зона нечувствительности возникает, в первую очередь, из-за положительного перекрытия рабочих кромок: пока золотник не сместится на величину перекрытия, рабочие окна не открыты и расхода в нагрузку нет.
Порог чувствительности (threshold) — минимальное изменение тока управления, при котором уже регистрируется отклик клапана. У качественных двухкаскадных сервоклапанов порог не превышает долей процента номинального тока. У пропорциональных клапанов без LVDT зона нечувствительности с учётом положительного перекрытия и сухого трения может достигать десятков процентов от полного диапазона тока, и для прецизионного управления её необходимо компенсировать в драйвере.
Зона нечувствительности и положительное перекрытие — не недостаток, а конструктивная особенность пропорциональных распределителей. Они обеспечивают отсутствие внутренних утечек в нейтральной позиции и устойчивость работы под нагрузкой, но требуют электронной компенсации (deadband compensation) в цифровых драйверах.
Перекрытие — соотношение между шириной поясков золотника и шириной рабочих окон во втулке. Различают три варианта.
Характеристика расхода — зависимость расхода через клапан от смещения золотника при постоянном перепаде давления, нормированная на полный ход. Для золотника с прямоугольными рабочими окнами и нулевым перекрытием она близка к линейной. Профилированные пазы пропорциональных распределителей формируют различные характеристики: линейную, прогрессивную (увеличение крутизны при больших отклонениях), регрессивную или с переменной крутизной по диапазонам — выбор формы зависит от назначения системы.
Q = Cd · A(x) · √(2·Δp/ρ)
Cd
A(x)
Δp
ρ
Частотная характеристика (frequency response) — отклик клапана на синусоидальный командный сигнал на разных частотах. По амплитудно-частотной характеристике определяют полосу пропускания по уровню −3 дБ, по фазочастотной — частоту, на которой фазовый сдвиг достигает −90°. Эту частоту принимают за интегральный показатель скорости клапана и используют при оценке предельной полосы пропускания замкнутого контура управления.
На динамику клапана влияют масса золотника, упругость пружин и масла, размеры жиклёров пилотного каскада, индуктивность обмотки и параметры драйвера. Указанные диапазоны полос пропускания — ориентировочные; конкретные значения зависят от типоразмера, давления питания, амплитуды сигнала и температуры жидкости и должны браться из протокола испытаний по ISO 10770-1.
При сопоставлении частотных характеристик клапанов важно сравнивать данные, снятые в одинаковых условиях: при одной амплитуде синусоидального сигнала (обычно 25, 50 или 100% от номинала), одном давлении питания и одной температуре жидкости.
Управление пропорциональным электромагнитом и моментным двигателем осуществляется не напряжением, а током: характеристика «ток — усилие» гораздо более стабильна, чем «напряжение — усилие», поскольку не зависит от температуры обмотки и колебаний питания. Современные драйверы реализуют замкнутый по току ШИМ-регулятор: усилитель формирует широтно-импульсный сигнал, измеряет средний ток в обмотке шунтом или датчиком Холла и регулирует скважность так, чтобы поддерживать заданное среднее значение.
Частота ШИМ выбирается из диапазона, типично используемого производителями (порядка сотен герц для пропорциональных распределителей). Слишком низкая частота вызывает заметные пульсации тока и звуковой шум, слишком высокая — снижает амплитуду осцилляций золотника и эффективность подавления трения.
Дополнительный приём — наложение на ток управления специального переменного сигнала малой амплитуды, дизер-сигнала (dither). Микроколебания золотника, вызванные дизером, разрушают слой статического трения между золотником и втулкой и линеаризуют характеристику клапана. Амплитуда дизера выбирается такой, чтобы заметно не искажать целевой расход, а частота — такой, чтобы золотник успевал отзываться на колебания, но они не передавались на исполнительное звено. При корректно выбранной частоте ШИМ собственные пульсации тока уже частично выполняют роль дизера, и отдельный сигнал не требуется.
Прямое сопоставление имеет смысл при одинаковых функциях аппаратов (например, для четырёхпортовых направляющих клапанов с управлением расходом). Сводные различия — в таблице ниже.
Грань между классами размывается: сервопропорциональные клапаны с LVDT и встроенной электроникой по характеристикам приближаются к сервоклапанам, а сервоклапаны с электронной обратной связью внешне напоминают пропорциональные. Решающее значение имеет требуемая точность, динамика и доступная чистота жидкости.
Чистота рабочей жидкости — критический фактор для электрогидравлической аппаратуры. Кодировка уровня загрязнения по ISO 4406:2021 представляется тремя числами, соответствующими количеству твёрдых частиц размером ≥4 мкм, ≥6 мкм и ≥14 мкм в одном миллилитре жидкости. Каждое следующее число шкалы соответствует примерно удвоенному количеству частиц предыдущего класса.
Конкретные требования всегда задаются документацией изготовителя клапана и могут быть строже приведённых; у разных производителей рекомендации варьируются в близких пределах. Для обеспечения класса чистоты непосредственно перед сервоклапаном устанавливают финишный фильтр с тонкостью фильтрации, соответствующей паспорту аппарата (как правило, в диапазоне единиц микрометров с высокой эффективностью β ≥ 200 по требуемому размеру). Для пропорциональных распределителей применимы менее жёсткие, но также прецизионные фильтры. Эффективность фильтрующих элементов определяется методом многократного прохода по ISO 16889.
Загрязнение пилотного каскада — типичная причина отказов сервоклапанов. Узкие зазоры между заслонкой и соплом (порядка десятков микрометров) делают первый каскад чрезвычайно чувствительным к частицам. При нарушении класса чистоты обычно наблюдаются нестабильность характеристики, дрейф нулевой позиции и автоколебания.
Помимо механической чистоты, контролируют водосодержание, индекс кислотности и температуру жидкости. Превышение допустимой температуры снижает вязкость, увеличивает утечки в зазорах и ускоряет старение масла; чрезмерно низкая температура повышает вязкость и уменьшает динамику клапана.
Электрогидравлические распределители обоих типов применяются там, где требуется плавное регулирование скорости, положения, усилия или давления исполнительного звена с обратной связью. Конкретный выбор определяется требуемой точностью, динамикой и условиями эксплуатации.
Прецизионные испытательные стенды для усталостных и динамических испытаний материалов и конструкций (в том числе авиационных и автомобильных); системы рулевого управления и приводов поверхностей управления летательных аппаратов; силовые приводы подвижных платформ авиатренажёров; следящие приводы крупных металлообрабатывающих станков; гидроприводы антенных постов и систем стабилизации; приводы регулирующих клапанов паровых и газовых турбин; системы управления поворотом лопаток гидротурбин и направляющих аппаратов; высокодинамичные приводы испытательных вибростендов.
Гидроприводы металлургического оборудования (прокатные станы, машины непрерывного литья); привод смыкания и впрыска термопластавтоматов; приводы прессов холодной и горячей штамповки; гидравлические листогибочные машины и гидроножницы; гидравлика мобильной техники (фронтальные погрузчики, экскаваторы, манипуляторы) для плавного управления исполнительными гидроцилиндрами и гидромоторами; буровые установки; ковочные и опрессовочные комплексы; универсальные станции с плавным регулированием давления и расхода.
Сервоклапан — обычно двух- или трёхкаскадный аппарат с пилотным гидроусилителем (сопло-заслонка, струйная трубка) и обратной связью по положению золотника. Пропорциональный клапан — как правило, однокаскадный аппарат с прямым приводом золотника пропорциональным электромагнитом, без внутренней обратной связи. Сервоклапаны точнее, динамичнее и требовательнее к чистоте жидкости, пропорциональные — проще, дешевле и работают в более широких диапазонах загрязнённости. По ISO 10770-1 формальная разница зафиксирована тестовым перепадом давления: 7 МПа для сервоклапанов и 1 МПа для пропорциональных.
Пилотное управление — это перемещение основного золотника не электрическим приводом напрямую, а вспомогательным маломощным гидравлическим каскадом. В сервоклапанах роль пилота играет первый каскад усилителя — сопло-заслонка или струйная трубка. В пропорциональных распределителях больших типоразмеров пилотом служит малый пропорциональный распределитель с прямым приводом. Пилотное управление позволяет работать с большими расходами при сохранении приемлемой быстроты отклика.
Гистерезис — это максимальная разность выходного параметра клапана при одном и том же входном сигнале при изменении сигнала в сторону увеличения и в сторону уменьшения. Выражается в процентах от диапазона входа. Гистерезис обусловлен сухим трением в направляющих золотника, магнитным гистерезисом материалов магнитопровода и гидродинамическими силами. Снижается применением ШИМ-управления, дизер-сигнала и обратной связи по положению золотника (LVDT или механическая пружина).
Зона нечувствительности — диапазон входного сигнала вблизи нуля, в котором выход клапана отсутствует или пренебрежимо мал. У пропорциональных золотниковых распределителей с положительным перекрытием зона нечувствительности обусловлена тем, что золотнику нужно сначала пройти величину перекрытия, прежде чем рабочие окна откроются. В сервоклапанах с нулевым перекрытием зоны практически нет. В пропорциональных клапанах зону нечувствительности компенсируют программно в драйвере (deadband compensation): при выходе сигнала из нуля драйвер сразу выдаёт ток, соответствующий концу мёртвой зоны.
Чаще всего — обратная связь по положению золотника. В классической конструкции она механическая: между основным золотником и якорем моментного двигателя установлена упругая проволока с шариком в проточке золотника. В современных исполнениях механическая связь часто заменена электрической — на золотнике расположен сердечник датчика LVDT, а контур регулирования замкнут электроникой клапана. Реже применяются обратные связи по перепаду давления нагрузки и по расходу для задач управления усилием.
Линейный дифференциально-трансформаторный датчик измеряет фактическое положение золотника и подаёт сигнал на встроенный регулятор. Это превращает разомкнутый по золотнику пропорциональный клапан в замкнутый по положению — сервопропорциональный. По сравнению с открытым контуром заметно снижаются гистерезис, повышается повторяемость и динамика, ослабляется влияние гидродинамических сил и температуры жидкости.
По ISO 4406:2021 для сервоклапанов типично требуется класс не хуже 17/15/12 для среднего ресурса и 16/14/11 или чище — для расширенного. Для пропорциональных распределителей достаточно класса 18/16/13 или близкого. Точные требования всегда указываются изготовителем в документации клапана и могут быть строже. Непосредственно перед сервоклапаном устанавливают финишный фильтр с тонкостью, соответствующей паспорту, и контролируемой эффективностью.
Дизер — переменный сигнал малой амплитуды и низкой частоты, накладываемый на постоянный ток управления электромагнитом. Микроколебания золотника, вызванные дизером, разрушают слой статического трения между золотником и втулкой и линеаризуют расходную характеристику. Без дизера в зоне малых сигналов проявляется «прилипание» золотника, увеличивающее гистерезис. При корректно подобранной частоте ШИМ собственные пульсации тока частично выполняют функцию дизера.
В усилителе сопло-заслонка между двумя противоположными соплами движется заслонка. Перекрывая одно из сопел, она вызывает перепад давлений в торцах золотника. Конструкция чувствительна к загрязнениям в зазоре между заслонкой и соплом. В струйнотрубном усилителе поворотная трубка направляет струю в один из двух приёмников, формируя перепад давлений. Струйная трубка менее чувствительна к загрязнениям первого каскада, но имеет повышенные утечки и более сложную конструкцию.
Корректно — только с учётом тестового давления. Расход сервоклапана по ISO 10770-1 указывается при перепаде 7 МПа, пропорционального — при 1 МПа. Сопоставление по голым цифрам расхода без приведения к одинаковому перепаду давления некорректно: при одинаковом записанном номинале клапаны имеют существенно разные эквивалентные проходные сечения. Корректное сравнение ведётся по коэффициенту расхода KV либо по приведённому к одному перепаду расходу.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.