La servovalve électrohydraulique est un composant essentiel de la servocommande électrohydraulique. Il s'agit d'une vanne de régulation hydraulique acceptant une sortie analogique et régulant le débit et la pression. Elle offre une réponse dynamique rapide, une grande précision de contrôle et une longue durée de vie. Elle est largement utilisée dans les systèmes de servocommande électrohydraulique dans les secteurs de l'aéronautique, de l'aérospatiale, de la marine, de la métallurgie et de l'industrie chimique.
La servovalve hydraulique est le composant principal du système de servocommande hydraulique, de sorte que les livres sur le système de commande hydraulique contiendront le contenu de la servovalve électrohydraulique.
1. Processus de développement
L'émergence de la technologie des servovalves électrohydrauliques résulte du développement des technologies et systèmes de contrôle hydrauliques. À la veille de la Seconde Guerre mondiale, face à l'évolution des besoins industriels, la technologie de contrôle hydraulique a connu un essor considérable. De nombreux principes et brevets de vannes de régulation sont issus de cette époque. Par exemple, Askania Regulator et Askania-Werke ont inventé et appliqué le principe de la vanne à jet. De même, Foxboro a breveté le principe de la vanne à chicane de buse. L'entreprise allemande Siemens a inventé une vanne à double entrée avec moteur à aimant permanent, récepteur et entrée électrique, une innovation majeure dans le secteur aérospatial.
À la fin de la Seconde Guerre mondiale, la servovalve était une vanne de régulation en boucle ouverte à un étage qui commandait directement le mouvement du tiroir à l'aide d'un solénoïde. Cependant, avec la maturité de la théorie du contrôle et les besoins des applications militaires, le développement et le développement des servovalves ont connu d'importantes avancées. En 1946, le britannique Tinsiey a obtenu un brevet pour une servovalve à deux étages ; Raytheon et Bell ont inventé une servovalve à deux étages avec rétroaction ; le MIT a remplacé le solénoïde par un moteur couple pour réduire la consommation électrique et améliorer la linéarité. En 1950, WCMogog a inventé la première servovalve à deux étages à buse unique. De 1953 à 1955, THCarson a inventé une servovalve à deux étages à rétroaction mécanique ; WCMoog a inventé une servovalve à deux étages avec deux buses ; Wolpin a inventé le moteur couple sec, éliminant ainsi le problème de l'immersion dans l'huile du moteur couple par la pollution liquide causée par l'huile. En 1957, R. Atchley a développé une servovalve à tube à jet à deux étages utilisant le principe du tube à jet Askania. En 1959, il a développé une servovalve à rétroaction électrique à trois étages. À cette époque, la servovalve était principalement utilisée dans le domaine militaire. Avec l'avènement de l'ère spatiale, elle a été largement utilisée dans le secteur aérospatial, permettant ainsi le développement de servovalves redondantes hautement fiables et d'autres produits de pointe.
Parallèlement, face au développement constant des applications industrielles des servovannes, certains fabricants ont développé des servovannes industrielles spécifiquement conçues pour les applications industrielles. Par la suite, de plus en plus de servovannes industrielles ont été développées. Elles présentent les caractéristiques suivantes : un volume plus important facilitant la fabrication ; un corps de vanne en aluminium ; un premier niveau indépendant facilitant le réglage et la maintenance ; une utilisation principalement pour les basses pressions inférieures à 14 MPa ; et une série de produits standardisés. Face à la généralisation des servovannes dans les applications industrielles, les entreprises ont développé leurs propres servovannes adaptées à ces applications. Elles se caractérisent par un faible coût, bien que leur précision de contrôle ne soit pas comparable à celle des servovannes, mais grâce à une technologie de contrôle et des composants électroniques avancés, elles compensent leurs performances et leur efficacité inférieures à celles des servovannes. Bosch a développé son emblématique servovanne pilote à tube à jet et à plaque plate à rétroaction électrique. Vickers a développé une vanne proportionnelle de type KG à compensation de pression. Rexroth, Bosch et d'autres ont développé une vanne proportionnelle contrôlant le mouvement du tiroir dans les deux sens grâce à deux bobines.
2. Perspectives du marché
Les fabricants de servovalves sont : le Royaume-Uni Dowty, les États-Unis Team, les États-Unis Parker, Eaton Vickers, l'Allemagne Bosch, Rexroth, etc.
Les servovalves électrohydrauliques sont généralement classées, selon le type de moteur couple, en deux catégories : à bobine mobile et à aimant permanent. La plupart des servovalves traditionnelles utilisant un moteur couple à aimant permanent sont classées en deux catégories : à chicane de buse et à jet. La production initiale du fabricant américain de servovalves à tube à jet, Abex, a également été acquise par Parker. Cependant, grâce à ses excellentes performances antipollution, sa grande fiabilité et sa haute résolution, certains fabricants développent ou commercialisent leurs propres tubes à jet.
Hydraulique
servovalve
Les produits sont principalement utilisés dans l'aviation, l'aérospatiale, la marine et d'autres secteurs. Parallèlement à la guerre entre les unités de production nationales, le manque de coopération et la dispersion des forces ne favorisent pas le développement des servovalves et ne permettent pas de créer un avantage concurrentiel solide face aux produits étrangers.
3. Tendance de développement
Actuellement, le développement de la nouvelle technologie des servovalves électrohydrauliques se traduit principalement par la conception de nouvelles structures, l'utilisation de nouveaux matériaux et la combinaison de technologies électroniques, numériques et hydrauliques. Le développement de la technologie des servovalves électrohydrauliques a considérablement favorisé le développement des technologies de contrôle hydraulique.
4. Conception de la nouvelle structure
Dans les années 1990, le développement des servovalves électrohydrauliques à action directe a été une grande réussite. Parker a développé la technologie d'entraînement par bobine mobile (VCD) et les vannes de régulation DFplus. Cette technologie, similaire à celle d'un haut-parleur d'entraînement, repose sur un aimant permanent cylindrique fixe monté sur une bobine mobile. Lorsque le courant de signal entre la bobine, l'effet électromagnétique joue un rôle : la bobine produit un courant de signal correspondant à la force axiale, et l'entraînement est directement relié à la bobine pour le mouvement du tiroir, ce qui produit une force motrice très importante. Le capteur de déplacement intégré à la bobine permet donc une régulation en boucle fermée avec une excellente linéarité. La vanne DFplus est entièrement soutenue par la surface de contact entre le tiroir et le corps de la vanne, ce qui réduit considérablement l'effet de frottement sur la qualité du contrôle. Intégrant les caractéristiques techniques susmentionnées et le module de commande numérique intégré, la vanne DFplus offre des performances de contrôle supérieures, notamment en termes de réponse en fréquence, jusqu'à 400 Hz. Suite à la tendance actuelle, les nouvelles servovalves électrohydrauliques à action directe ont remplacé les servovalves traditionnelles dans certaines industries, notamment les servovalves à chicane de buse. Cependant, leur principal problème réside dans leur encombrement et leur poids important, qui nécessitent une servocommande industrielle plus légère. Afin de réduire leur poids et leur encombrement, elles présentent également un fort potentiel de développement dans l'aéronautique, l'aérospatiale et d'autres industries militaires.
De plus, ces dernières années, de nouveaux types d'entraînement de servovalves ont vu le jour, en plus de l'entraînement direct par moteur couple, et l'utilisation de moteurs pas à pas, de servomoteurs, de nouveaux électroaimants et d'autres structures d'entraînement, ainsi que de structures de conversion directe lumière-liquide, a fait son apparition. L'application de ces nouvelles technologies améliore non seulement les performances des servovalves, mais contribue également au développement de nouvelles technologies de servovalves, donnant ainsi un nouvel élan à la technologie des servovalves électrohydrauliques.
5. L'utilisation de nouveaux matériaux
Dans le domaine des servovalves électrohydrauliques, de nouveaux matériaux sont actuellement utilisés, principalement des composants piézoélectriques, des matériaux magnétostrictifs géants et des alliages à mémoire de forme issus de la recherche et du développement de convertisseurs. Chacun d'entre eux possède d'excellentes caractéristiques.
5.1 Composants piézoélectriques
L'élément piézoélectrique se caractérise par son effet piézoélectrique : sous l'action d'un champ électrique donné, la taille varie. Dans une certaine plage, la déformation et l'intensité du champ électrique sont proportionnelles. Les principaux matériaux utilisés sont la céramique piézoélectrique (PZT) et les matériaux électrostrictifs (PMN). Les céramiques piézoélectriques classiques sont les céramiques piézoélectriques télescopiques empilées de la société japonaise TOKIN. Le principe de la servovalve à action directe en PZT est le suivant : deux composants piézoélectriques multicouches sont reliés aux deux extrémités de la bobine par une bille. L'effet piézoélectrique du matériau produit un mouvement télescopique de la bobine. La conversion électrique-mécanique est réalisée. La servovalve à chicane de buse en PMN est placée dans la buse avec une chicane piézoélectrique fixée au déflecteur. Grâce à cette extension, le rétrécissement entre le déflecteur et la buse augmente et diminue, de sorte que la différence de pression aux deux extrémités de la bobine entraîne le déplacement de la bobine. Actuellement, le développement des convertisseurs électromécaniques piézoélectriques est relativement avancé et largement répandu. Ils se caractérisent par une réponse en fréquence rapide et une bande passante de servovalve pouvant atteindre des milliers de hertz. Cependant, l'hystérésis, la dérive et d'autres défauts limitent les applications futures des composants piézoélectriques des servovalves électrohydrauliques.
5.2 Matériau magnétostrictif géant
Le matériau magnétostrictif géant (GMM) produit des variations de longueur ou de volume sous l'action d'un champ magnétique bien plus importantes que les matériaux magnétostrictifs classiques. Le convertisseur GMM est développé à partir de ce matériau. Il est connecté au tiroir. Le contrôle du courant de la bobine d'entraînement entraîne et étend le GMM pour entraîner le déplacement du tiroir et réguler le débit de sortie de la servovalve. Comparée à une servovalve traditionnelle, cette vanne présente non seulement une réponse en fréquence élevée, mais aussi les avantages d'une grande précision et d'une structure compacte. Actuellement, les matériaux GMM, les matériaux piézoélectriques et les matériaux magnétostrictifs traditionnels se distinguent par une forte déformation, une densité énergétique élevée, une réponse rapide, une force de sortie élevée, etc. La recherche sur les convertisseurs électromécaniques GMM et les technologies associées est essentielle dans le monde entier. À l'avenir, il faudra aborder la déformation thermique, l'anisotropie magnétocristalline, la corrosion des matériaux, les procédés de fabrication, l'adaptation des paramètres et d'autres aspects du problème afin de faciliter le développement de technologies de pointe. Ce domaine est largement utilisé.
5.3 Alliage à mémoire de forme
L'alliage à mémoire de forme (AMF) se caractérise par son effet mémoire. Après mise en forme à haute température, il est refroidi à basse température et soumis à une force externe. La déformation élastique du métal se produit après la déformation permanente. Un chauffage à une température supérieure lui permet de retrouver sa forme initiale à haute température. La servovalve développée avec cette caractéristique est un actionneur en AMF enroulé aux deux extrémités du tiroir dans un alliage à mémoire de forme. Ce dernier est entraîné par chauffage et refroidissement. Ainsi, l'alliage à mémoire de forme aux deux extrémités du tiroir s'allonge ou se rétracte, entraînant le tiroir en mouvement, tout en ajoutant un retour de position pour améliorer les performances de contrôle de la servovalve. Concernant la vanne, la déformation de l'AMF, mais sa vitesse de réponse est lente et sa déformation irrégulière, ce qui limite son champ d'application.
Comparées aux servovalves traditionnelles, les servovalves à convertisseur électromécanique, grâce à l'utilisation de nouveaux matériaux, offrent une réponse en fréquence élevée, une grande précision et une structure compacte. Les servovalves électrohydrauliques sont largement utilisées dans les systèmes d'asservissement électrohydrauliques de position, de vitesse, d'accélération et de force, ainsi que dans les servo-générateurs de vibrations. Elles présentent les avantages suivants : petite taille, structure compacte, coefficient d'amplification de puissance élevé, haute précision de contrôle, bonne linéarité, faible zone morte, haute sensibilité, bonnes performances dynamiques et réactivité rapide. La technologie actuelle de servocommande hydraulique combine la technologie de contrôle automatique, la technologie hydraulique et la microélectronique organique pour former une nouvelle génération de servovalves. Grâce au développement et aux progrès des équipements électroniques, des stratégies de contrôle, des logiciels et des matériaux, ainsi qu'à d'autres aspects, la technologie de contrôle électrohydraulique et les servovalves seront intégrées aux machines, à l'électricité et aux fluides.
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