电液伺服阀的发展与研究现状

电液伺服阀的发展与研究现状陈潜 2 健行理工 1301 班电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件， 它是一种接受模拟电信号后， 相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。 电液伺服阀具有动态响应快、 控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。 电液伺服阀是电液联合控制的多级伺服元件， 它能将微弱的电气输入信号放大成大功率的液压能量输出。 它具有控制精度高和放大倍数大等优点，在液压控制系统中得到广泛的应用。一 发展过程1750年左右， 用于控制给水系统和蒸汽锅炉水位的液位控制阀在英国出现。随着工业革命的发展,控制策略的不断改进，进而影响到液压技术的发展。在二战前夕， 由于空气动力学的应用， 要求发明一种能够实现机械信号与气体信号转换装置。在二战末期,伺服阀是采用滑阀阀芯在阀套中移动的结构。阀芯的运动是直流螺线管产生的电磁力与弹簧产生的压力共同作用的结果,因此,此时的伺服阀还仅仅是一种单级开环控制阀。 二战结束后， 电液伺服阀开发研制进入了迅速发展时期,很多结构设计进一步提高了电液伺服阀的性能。特别是 1960 年的电液伺服阀设计更多地显示出了现代伺服阀的特点。1946 年，英国人获得了两级阀的专利。1950 年， W.C.Moog 第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。1953年至1955年间，T.H.Carson发明了机械反馈式两级伺服阀，W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀， Wolpin 发明了干式力矩马达，消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。1957 年 Atchley 利用射流管原理研制了两级射流管伺服阀。1959 年 Atchley 研制了三级电反馈伺服阀。1959年2月， 国外某液压与气动杂志对当时的伺服阀情况作了 12页的报道， 显示了当时伺服阀蓬勃发展的状况。那时生产各种类型的伺服阀的制造商有20多家。大多数生产具有反馈及力矩马达的两级伺服阀。1960年，伺服阀已具有现代伺服阀的许多特点。如：第二级对第一级反馈形成闭环控制， 采用干式力矩马达， 前置级对功率级的压力恢复通常可达到 50%， 第一级的机械对称结构减小了温度、 压力变化对零位的影响。 同时， 由早期的直 动型开环控制阀发展变化而来的直动型两级闭环控制伺服阀也已出现。 当时的伺 服阀主要用于军事领域，随着太空时代的到来，伺服阀又被广泛用于航天领域， 并研制出高可靠性的多余度伺服阀等尖端产品。1963年， Moog 公司推出了第一款专为工业场合使用的 73 系列伺服阀产品。随后， 越来越多的专为工业用途研制的伺服阀出现了。 它们具有如下的特征： 较 大的体积以方便制造，阀体采用铝材（需要时亦可采用钢材），独立的第一级以方便调整及维修，主要使用在14MPa 以下的低压场合，尽量形成系列化、标准化产品。1973年， Moog 公司按工业使用的需要， 把某些伺服阀转换成工业场合的比例阀标准接口。 Bosch 研制出了其标志性的射流管先导级及电反馈的平板型伺服 阀。1974 年， Moog 公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。 Vickers 公司研制了压力补偿的KG型比例阀。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用两个 线圈分别控制阀芯两方向运动的比例阀等等。到了现代， 新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新型结构的设计， 新 型材料的采用及电子化， 数字化技术与液压技术的结合等几方面， 液压伺服系统 向高性能、高精度和自动化方向发展需要。现代的伺服阀主要发展方向是：（ 1）虚拟化。利用 CAD 技术全面支持伺服阀从概念设计、外观设计、性能设计、 可靠性设计到零部件详细设计的全过程， 并把计算机辅助设计、 计算机辅助分析、 计算机辅助工艺规划、 计算机辅助检验、 计算机辅助测试和现代管理系统集成在一起， 建立计算机制造系统， 使设计与制造技术有一个突破性的发展。（ 2）智能化。发展内藏式传感器和带有计算机、 自我管理机能 （故障诊断、故障排除） 的智能化伺服阀， 进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件， 实现自动测量和诊断。还应开发自补偿系统，包括自调整、自润滑、自校正，这是液压行业努力的方向。另外，借助现场总线，实现高水平的信急系统，从而简化伺服阀的使用、调节和维护。（ 3）数字化。电子技术与液压技术的结合的一个方向。通过把电子控制装置安装于伺服阀内或改变阀的结构等方法， 形成了种类众多的数字产品。 阀的性能由软件控制， 可通过改变程序， 方便地改变设计方案、 实现数字化补偿等多种 功能。（ 4）微型化。随着液压技术的进步及竞争的加剧，微型伺服阀的技术以体积小、 重量轻、 单位功率大等优点而越来越受到重视。 研究重点增大压力的优势，应用先进材料和复合材料降低重量和铸造工艺的发展， 如铸造流道在阀体和集成 块中的广泛使用，可优化元件内部流动，实现元件小型化。（ 5）绿色化。减少能耗，泄漏控制，污染控制，将发展降低内耗和节流损失技术以及无泄漏元件。 如实现无管连接， 研制新型密封等； 发展耐污染技术和新的污染检测方法， 对污染进行在线测量； 可采用生物降解迅速的压力液体， 如菜油基和合成脂基的传动用介质将得到广泛应用， 减少漏油对环境危害， 适应环境保护（降低噪声和振动、无泄漏）。二 研究现状当前电液伺服阀的研究主要集中在结构及加工工艺的改进、 材料的更替及测试方法的改变。（ 1）在结构上改进。目前主要是利用冗余技术对伺服阀的结构进行改造。由于伺服阀是伺服系统的核心元件， 伺服阀性能的优劣直接代表着伺服系统的水平。另外，从可靠性角度分析，伺服阀的可靠性是伺服系统中最重要的一环。对此， 国外的许多厂家对伺服阀结构作了改进， 先后发展出了抗污染性较好的射流管式、偏导射流式伺服阀。此外多线圈结构、或在结构上带零位保护装置、外接式滤器等型式的伺服阀亦已在冶金、电力、塑料等行业得到了广泛的应用。（ 2）在加工工艺上改进。采用新型的加工设备和工艺来提高伺服阀的加工精度及能力。 如在阀芯阀套配磨方法上， 哈尔滨工业大学均研制出了智能化、 全自动的配磨系统。 特别是哈尔滨工业大学的配磨系统改变了传统的气动配磨的模式， 采用液压油作为测量介质， 更直接地反应了所测滑阀副的实际情况， 提高了测量结果的准确性与精度。 另外， 哈尔滨工业大学还研制出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置， 解决了原有手动测量法中存在的测量精度低、 操作复杂、效率低等问题。（ 3）在材料上改进。除了对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料外。 还对特别用途的伺服阀采用了特殊的材料。 如德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板， 防止因气馈造成档板和喷嘴的损伤， 而降低动静态性能， 使工作寿命缩短。 机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作， 防止小球和阀芯小槽之间的磨损， 使阀失控， 并产生尖叫。 此外对密封圈的材料也可以进行更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。三 发展趋势当前， 新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新型结构的设计、 新型材料的采用及电子化、数字化技术与液压技术的结合等几方面。（ 1）新型结构的设计。伺服阀去掉了一般伺服阀的前置级，利用一个较大功率的力矩马达直接拖动阀芯， 并由一个高精度的阀芯位移传感器作为反馈。 该阀的最大特点是无前置级， 提高了伺服阀的抗污染能力。 同时由于去掉了许多难加工零件，降低了加工成本，可广泛使用于工业伺服控制的场合。另外，近年来伺服阀新型的驱动方式除了力矩马达直接驱动外， 还出现了采用步进电机、 伺服电机、新型电磁铁等驱动结构以及光-液直接转换结构的伺服阀。这些新技术的应用不仅提高了伺服阀的性能， 而且为伺服阀发展开拓了思路， 为电液伺服阀技 术注入了新的活力。（ 2）新型材料的采用。当前在电液伺服阀研制领域的新型材料运用，主要是以压电元件、 超磁致伸缩材料及形状记忆合金等为基础的转换器研制开发。 与 传统伺服阀相比，采用新型材料的电-机械转换器研制的伺服阀，普遍具有高频响、高精度、结构紧凑的优点。虽然目前还各自呈在某些关键技术需要解决，但新型功能材料的应用和发展，给电液伺服阀的技术发展发展提供了新的途径。（ 3）电子化、数字化技术的运用。目前电子化、数字化技术在电液伺服阀技术上的运用主要有两种方式： 其一， 在电液伺服阀模拟控制元器件上加入 D/A转换装置来实现其数字控制。 随着微电子技术的发展， 可把控制元器件安装在阀体内部，通过计算机程序来控制阀的性能，实现数字化补偿等功能。其二，为直动式数字控制阀。 通过用步进电机驱动阀芯， 将输入信号转化成电机的步进信号来控制伺服阀的流量输出。 该阀具有结构紧凑、 速度及位置开环可控及可直接数字控制等优点， 被广泛使用。 此外还有通过直流力矩电机直接驱动阀芯来实现数字控制等多种控制方式或伺服阀结构改变等方法来形成众多的数字化伺服阀产 品。四 参考文献1 J C Jones.Developments in Design of Electrohydraulic Control Valves Form Their Initial Design Concept to Present Day Design and Applications.Monash University. Australia .November 19972 肖俊东、王占林.新型高性能直接驱动电液伺服阀 .机械科学与技术,第 24 卷,第 12期,2005年 12月3 花克勤.正弦输入法识别电液伺服阀的动特性.流体传动与控制,第 4 期,2004年,7月4方群，黄增.电液伺服阀的发展历史、研究现状及发展趋势J.机床与液压,2007.5陈彬,易孟林.电液伺服阀的研究现状和发展趋势J.液压与气压传动，2005.6 王春行 .液压控制系统M. 机械工业出版社, 2000.