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MOOG: 微型液壓閥提供緊湊而高性能的解決方案
點擊次數：364 發布時間：2024-11-26
微型液壓閥的小尺寸和高功率重量比可使多種不同的應用受益。
盡管幾乎每個行業都在選擇或考慮轉向全電動解決方案，但仍有許多領域致力于使用液壓技術，包括微型液壓閥。
工程師選擇這些伺服閥是因為它們提供緊湊、輕巧的封裝，具有高功率重量比。微型液壓閥的重量可以低至95克，提供280bar的工作壓力，額定流量高達 7.5 lpm。
這些微型閥門通常用于需要高功率密度的應用中，但與標準閥門不同，它們可以是四通閥。憑借伺服控制反饋，如果給出命令，閥門將以一定的速率流動，并可以通過線性命令立即改變該速率。
微型液壓閥可以為一系列應用帶來益處，包括海底機器人、賽車運動、娛樂、石油和天然氣鉆探，甚至飛艇，正如本文概述的 Moog Inc. 的案例所證明的那樣。
微型液壓系統在海底車輛中發揮深層作用
海底遙控車輛 (ROV) 配備有機械臂，用于抓取或放置物品。機械臂最多可容納七個微型液壓伺服閥，每個閥都作為控制柜的一部分，可在海平面以下一英里以上的地方運行。
對于海底應用，伺服閥的集成力矩馬達浸沒在液壓油中，并在控制柜內加壓，因為在如此深的水下，任何殘留在內部的空氣都會導致閥門和馬達塌陷。為了防止環境污染，液壓油含有水-乙二醇混合物，其工作原理與礦物油非常相似。
幾年前，蒙特雷灣水生研究所 (MBARI) 想要更換控制該研究所 Ventana ROV 上的攝像頭和機械臂的閥門。經過 16,000 小時的使用和海底壓力后，占據 Ventana 船尾歧管內部空間的傳統閥門因其不對稱設計而需要更換。
市場上沒有一種替換閥門能夠適合 ROV 的外殼，并能承受高達 3,000 psi (207 bar) 的壓力，同時減少飛行員的動作與機械臂和所附攝像頭的定位之間的延遲。使用傳統閥門，MBARI 技術團隊會通過將 ROV 的泵置于旁路狀態來減少液壓系統的壓力，并使機械臂更加靈巧。當團隊這樣做時，傳統伺服閥的“零點"發生了偏移。
MBARI 要求 Moog Inc. 解決三重挑戰。首先，設計一組適合現有外殼的閥門。其次，消除壓力中心偏移。第三，解決導致飛行員反復移動機械臂和攝像頭以尋找標本或目標的延遲問題。
Moog 還被告知 Ventana 最初的制造成本為 795,000 美元；更換車輛將花費 MBARI 320 萬美元。因此，改裝車輛對于 MBARI 的項目至關重要。
Moog 的解決方案包括其微型 30 系列伺服閥，尺寸為 4.0 x 3.4 x 3.9 厘米（1.6 x 1.3 x 1.5 英寸）。這些閥門是分體式歧管，可處理高達 3,000 psi 的液壓，并提供 2.5 毫秒的階躍響應。Moog 設計了適合正確閥門配置的閥門，其尺寸比傳統閥門更小。
據 MBARI 稱，微型閥門消除了視頻和控件的延遲。MBARI 表示，ROV 的系統更易于調整。Moog 還使 MBARI 能夠使用軟件來從閥門和攝像機角度獲得最佳性能，從而加快了水下研究海豹壽命和地質等問題的時間。
據擁有 35 年經驗的 Moog 高級產品工程師 Russ Miliotto 稱，微型 30 系列伺服閥最初是為國防和太空應用而制造的。Miliotto 指出，這些閥門最初用于控制和無人航天器的推力矢量。
“我們采用了太空和國防閥門，并將它們工業化，"Miliotto 說道。“以前，這些閥門使用的是鑄件，但對于工業，我們使用不銹鋼和 Viton™ 密封件等材料。"
Miliotto 表示，這些閥門的工業版本比版本便宜。他補充說，不需要對它們進行沖擊測試，因為微型閥門已經是一種經過驗證的設計。
重量為 95 克的微型液壓伺服閥作為行駛高度系統的組件起著關鍵作用。這些輕巧、高性能的閥門可以快速調節汽車的懸架。微型閥門的階躍響應小于 3 毫秒。作為主動懸架系統的組件，閥門可幫助車輛感受到力并移動行駛高度以減少阻力。
在俄亥俄州本田汽車實驗室 (HALO) 設施中，本田要求 Moog 為實驗室風洞中的測試車輛提供主動行駛高度系統，該系統可產生高達 306 公里/小時的風速。
Moog 與一級方程式賽車軟件和硬件供應商 Cosworth 合作，設計了一套系統來取代傳統的車載懸架，因為擔心會接觸到測試設備的移動帶，所以底盤高度的調節范圍受到限制。Moog 的系統可以控制底盤高度、俯仰和側傾，防止車輛在空氣動力學測試期間在高下壓力水平下振蕩。
為 HALO 的測試解決方案開發的系統的一部分利用了微型液壓伺服閥，除其他功能外，它還可以操作液壓執行器來控制故障安全系統，以便在斷電或系統關閉時鎖定車輛。
盡管主題公園不斷更新其游樂設施，但先前的設計是方便和經濟的基礎。這意味著有機會使用高性能微型液壓系統改進這些游樂設施，特別是因為許多游樂設施平臺早于全電動驅動。
Miliotto 補充說，電動設計可能會限制故障保險。例如，如果您丟失了閥門的電信號，設計師可以制造一個帶有偏置的故障保險裝置，以驅動活塞返回原位。如果電控柜上的電子信號丟失，設計人員必須依靠電池電源和馬達（或重力）來驅動游樂設施的活塞回到原位。
微型液壓閥有助于引導鉆頭，使其能夠在地下轉彎并水平鉆進。在這種應用中，石油和天然氣公司依靠重 195 克 (6.9 盎司) 的微型液壓閥和直徑為 8 毫米 (0.3 英寸) 的伺服電機，因為它們可以承受高達 177 攝氏度 (351 華氏度) 的溫度、25,000 psi (1,724 巴) 的壓力和高達 250 克的沖擊。
對于 MWD，井下馬達是鉆井公司井底組件的一部分，控制向地面產生泥漿脈沖的閥門。這些泥漿脈沖可幫助操作員和鉆井人員在鉆井過程中做出決策。對于電纜作業（使用鉆孔中的特殊電纜來收集數據），電機和微型液壓閥有助于提取側壁巖心和流體樣本進行分析。
為了控制飛艇的方向舵，設計師選擇使用小型、輕量級的伺服閥來補充電機。飛艇制造商依靠液壓系統來控制飛艇的方向舵。當一家飛艇制造商長期使用的閥門過時時，Miliotto 的同事、Moog 工程團隊負責人 Kellsi Ellis 表示，該公司采用微型液壓伺服閥來提供所需設計范圍內的運動控制。
“重新設計一個系統，尤其是一個成功的系統，從液壓系統改為全電動系統，可能成本太高，"Ellis 指出。“有很多這樣的液壓應用，客戶想要替代產品。我們可以采用微型液壓伺服閥，用它們來替換 20 世紀 60 年代甚至 50 年代機器上的閥門；你不會用電子產品來替代這些產品。"
據 Miliotto 介紹，微型液壓閥經常被設計用來替代不再生產的舊產品。例如，防爆閥和本質安全閥需要制造商投入大量資金來維持認證，他說。如果這些閥門的銷量不是特別高，那么閥門制造商可能會取消該產品線。