电液伺服阀

工作原理

　　电液伺服阀由力矩马达和液压放大器组成。

　　力矩马达工作原理

　　磁铁把导磁体磁化成N、S极，形成磁场。衔铁和挡板固连由弹簧支撑位于导磁体的中间。挡板下端球头嵌放在滑阀中间凹槽内；线圈无电流时，力矩马达无力矩输出，挡板处于两喷嘴中间；当输入电流通过线圈使衔铁3左端被磁化为N极，右端为S极，衔铁逆时针偏转。弹簧管弯曲产生反力矩，使衔铁转过θ角。电流越大θ角就越大，力矩马达把输入电信号转换为力矩信号输出。

　　前置放大级工作原理

　　压力油经滤油器和节流孔流到滑阀左、右两端油腔和两喷嘴腔，由喷嘴喷出，经阀9中部流回油箱力矩马达无输出信号时，挡板不动，滑阀两端压力相等。当力矩马达有信号输出时，挡板偏转，两喷嘴与挡板之间的间隙不等，致使滑阀两端压力不等，推动阀芯移动。

　　功率放大级工作原理

　　当前置放大级有压差信号使滑阀阀芯移动时，主油路被接通。滑阀位移后的开度正比于力矩马达的输入电流，即阀的输出流量和输入电流成正比；当输入电流反向时，输出流量也反向。滑阀移动的同时，挡板下端的小球亦随同移动，使挡板弹簧片产生弹性反力，阻止滑阀继续移动；挡板变形又使它在两喷嘴间的位移量减小，实现了反馈。当滑阀上的液压作用力和挡板弹性反力平衡时，滑阀便保持在这一开度上不再移动。

分类

　　1 按液压放大级数可分为单级电液伺服阀，两级 电液伺服阀，三级电液伺服阀。

　　2 按液压前置级的结构形式 ，可分为单喷嘴挡板 式 ，双喷嘴挡板式 ，滑阀式 ，射流管式和偏转板射流 式 。

　　3 按反馈形式可分为位置反馈式 ，负载压力反馈 式 ，负载流量反馈式 ，电反馈式等。

　　4 按电机械转换装置可分为动铁式和动圈式。

　　5 按输出量形式可分为流量伺服 阀和压力控制 伺服阀。

运转不良引起的故障

　　1 油动机拒动

　　在机组启动前做阀门传动试验时，有时出现个别油动机不动的现象，在排除控制信号故障的前提下，造成上述现象的主要原因是电液伺服阀卡涩。尽管在机组启动前已进行油循环且油质化验也合格，但由于系统中的各个死角的位置不可能完全循环冲洗，所以一些颗粒可能在伺服阀动作过程中卡涩伺服阀。

　　2 汽门突然失控

　　在机组运行过程中，有时在控制指令不变的情况下，汽门突然全开或全关，造成上述现象的主要原因是电液伺服阀堵塞。主要是油中的赃物堵塞伺服阀的喷嘴挡板处，造成伺服阀突然向一个方向动作，导致油动机向一个方向运动到极限位置，使汽门失去控制。

　　3 气门摆动

　　汽门摆动是较常见的故障现象，在排除控制信号故障的前提下，伺服阀工作不稳定是主要原因。伺服阀的内漏大，分辨率大和零区不稳定，均可能引起电调系统的摆动。伺服阀的分辨率增大，使伺服阀不能很快响应控制系统的指令，容易引起系统的超调，导致系统在一定范围内不停调整，造成汽门摆动。伺服阀阀口磨损，不但引起伺服阀泄漏量增大，而且会引起伺服阀零区不稳定，使伺服阀长期处于调整状态，严重时会引起汽门摆动。

　　4 油动机迟缓率大

　　造成此现象的原因很多，伺服阀的流量增益低，压力增益低以及伺服阀滤芯堵塞引起伺服阀分辨率过大等，都可能增大油动机迟缓率。解决办法是严格控制抗燃油油质，定期检验伺服阀。

　　5油动机关不到位

　　在控制信号和机械部分没有问题的前提下，造成油动机关不到位的主要原因为伺服阀的零偏不对。

特点及应用

　　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.

发展历程

　　液压控制技术的历史最早可追溯到公元前 240 年,当时一位古埃及人发明了人类历史 上个液压伺服系统――水钟. 然而在随后漫长的历史阶段, 液压控制技术一直裹足不前, 直到 18 世纪末 19 世纪初,才有一些重大进展.在二战前夕,随着工业发展的需要,液压 控制技术出现了突飞猛进地发展,许多早期的控制阀原理及专利均是这一时代的产物.如: Askania 调节器公司及 Askania-Werke 发明及申请了射流管阀原理的专利.同样, Foxboro 发明了喷嘴挡板阀原理的专利.而德国 Siemens 公司发明了一种具有永磁马达 及接收机械及电信号两种输入的双输入阀,并开创性地使用在航空领域.

　　在二战末期,伺服阀是用螺线管直接驱动阀芯运动的单级开环控制阀.然随着控制理 论的成熟及军事应用的需要, 伺服阀的研制和发展取得了巨大成就. 1946 年, 英国 Tinsiey 获得了两级阀的专利;Raytheon 和 Bell 航空发明了带反馈的两级阀;MIT 用力矩马达替 代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好.1950 年,W.C.Moog 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 R.Atchley 利用 Askania 射流管原 理研制了两级射流管伺服阀.并于 1959 年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.各生产厂家为 了争夺伺服阀生产的霸权地位展开了激烈地竞争. 回顾历史, 可以看到最终取胜的几个厂家, 大多数生产具有反馈及力矩马达的两级伺服阀.我们可以看到, 1960 年的伺服阀已具有 现代伺服阀的许多特点.如:第二级对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%;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产品.

　　与此同时,随着伺服阀工业运用场合的不断扩大,某些生产厂家研制出了专门使用于 工业场合的工业伺服阀. Moog 公司就在 1963 年推出了款专为工业场合使用的 73 如 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.然而 Moog 公司在德国的分公司却将其伺服阀的应用场合主要集中在高压场合, 一般工作压力在 21MPa,有的甚至到 35MPa,这就使阀的设计专重于高压下的使用可靠性.而随着伺服阀 在工业场合的广泛运用, 各公司均推出了各自的适合工业场合用的比例阀. 其特点为低成本, 控制精度虽比不上伺服阀, 但通过先进的控制技术和先进的电子装置以弥补其不足, 使其性 能和功效逼近伺服阀.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

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

　　在 20 世纪 90 年代,国外研制直动型电液伺服阀获得了较大的成就.现形成系列产品 的有 Moog 公司的 D633,D634 系列的直动阀,伊顿威格士(EatonVickers)公司的 LFDC5V 型,德国 Bosch 公司的 NC10 型,日本三菱及 KYB 株式会社合作开发的 MK 型 阀及 Moog 公司与俄罗期沃斯霍得工厂合作研制的直动阀等.该类型的伺服阀去掉了一般 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.国内有些单位如 中国运载火箭技术研究院第十八研究所, 北京机床研究所, 浙江工业大学等单位也研制出了 相关产品的样机. 特别是北京航空航天大学研制出转阀式直动型电液伺服阀. 该伺服阀通过 将普通伺服阀的滑阀滑动结构转变为滑阀的转动, 并在阀芯与阀套上相应开了几个与轴向有 一定倾角的斜槽.阀芯阀套相互转动时,斜槽相互开通或相互封闭,从而控制输出压力或流 量.由于在工作时阀芯阀套是相互转动的,降低了阀工作时的摩擦阻力,同时污染物不容易 在转动的滑阀内堆积,提高了抗污染性能.此外,Park 公司开发了"音圈驱动(Voice Coil Drive)"技术(VCD),以及以此技术为基础开发的 DFplus 控制阀.所谓音圈驱动技术, 顾名思义, 即是类似于扬声器的一种驱动装置, 其基本结构就是套在固定的圆柱形磁铁 上的移动线圈,当信号电流输入线圈时,在电磁效应的作用下,线圈中产生与信号电流相对 应的轴向作用力,并驱动与线圈直接相连的阀芯运动,驱动力很大.线圈上内置了位移反馈 传感器,因此,采用 VCD 驱动的 DFplus 阀本质上是以闭环方式进行控制的,线性度相当 好.此外,由于 VCD 驱动器的运动零件只是移动线圈,惯量极小,相对运动的零件之间也 没有任何支承,DFplus 阀的全部支承就是阀芯和阀体间的配合面,大大减小了摩擦这一非 线性因素对控制品质的影响.综合上述的技术特点,配合内置的数字控制模块,使 DFplus 阀的控制性能佳,尤其在频率响应方面更是优越,可达 400Hz.从发展趋势来看,新型直 动型电液伺服阀在某些行业有替代传统伺服阀特别是喷嘴挡板式伺服阀的趋向, 但它的 问题在于体积大, 重量重, 只适用于对场地要求较低的工业伺服控制场合. 如能减轻其重量, 减小其体积,在航空,航天等军工行业亦具有极大的发展潜力.

　　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.它们各具有其自己的优良特性.

　　2.1 压电元件

　　压电元件的特点是"压电效应":在一定的电场作用下会产生外形尺寸的变化,在一定 范围内,形变与电场强度成正比.压电元件的主要材料为压电陶瓷(PZT),电致伸缩材料 (PMN)等.比较典型的压电陶瓷材料有日本 TOKIN 公司的叠堆型压电伸缩陶瓷等.PZT 直动式伺服阀的原理是: 在阀芯两端通过钢球分别与两块多层压电元件相连. 通过压电效应, 使压电材料产生伸缩驱动阀芯移动.实现电-机械转换.PMN 喷嘴挡板式伺服阀则在喷嘴处 设置一与压电叠堆固定连接的挡板,由压电叠堆的伸,缩实现挡板与喷嘴间的间隙增减,使 阀芯两端产生压差推动阀芯移动.目前压电式电-机械转换器的研制比较成熟并已得到较广 泛的应用.它具有频率响应快的特点,伺服阀频宽甚至能达到上千赫兹,但亦有滞环大,易 漂移等缺点,制约了压电元件在电液伺服阀上的进一步应用.

　　2.2 超磁致伸缩材料

　　液压与电气论坛超磁致伸缩材料(GMM)与传统的磁致伸缩材料相比,在磁场的作用 下能产生大得多的长度或体积变化. 利用 GMM 转换器研制的直动型伺服阀是把 GMM 转换 器与阀芯相连,通过控制驱动线圈的电流,驱动 GMM 的伸缩,带动阀芯产生位移从而控制 伺服阀输出流量.该阀与传统伺服阀相比不仅有频率响应高的特点,而且具有精度高,结构 紧凑的优点.目前,在 GMM 的研制及应用方面,美国,瑞典和日本等国处于水平.国 内浙江大学利用 GMM 技术对气动喷嘴挡板阀和内燃机燃料喷射系统的高速强力电磁阀, 进 行了结构设计和特性研究.从目前情况来看 GMM 材料与压电材料和传统磁致伸缩材料相 比,具有应变大,能量密度高,响应速度快,输出力大等特点.世界各国对 GMM 电-机械 转换器及相关的技术研究相当重视,GMM 技术水平快速发展,已由实验室研制阶段逐步进 入市场开发阶段.今后还需解决 GMM 的热变形,磁晶各向异性,材料腐蚀性及制造工艺, 参数匹配等方面的问题,以利于在高科技领域得到广泛运用.

　　2.3 形状记忆合金

　　形状记忆合金(SMA)的特点是具有形状记忆效应.将其在高温下定型后,冷却到低 温状态,对其施加外力.一般金属在超过其弹性变形后会发生变形,而 SMA 却在将其 加热到某一温度之上后, 会恢复其原来高温下的形状. 利用其特性研制的伺服阀是在阀芯两 端加一组由形状记忆合金绕制的 SMA 执行器, 通过加热和冷却的方法来驱动 SMA 执行器, 使阀芯两端的形状记忆合金伸长或收缩, 驱动阀芯作用移动, 同时加入位置反馈来提高伺服 阀的控制性能.从该阀的情况来看,SMA 虽变形量大,但其响应速度较慢,且变形不连续, 也限制了其应用范围.

　　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

　　液压与电气论坛目前电子化, 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.但存在模拟电路容易产生零漂,温漂,需加 D/A 转换接口等问题.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.但在实时性控制要求较高的场合,如按常规的步进方法,无法兼顾量化精度及响 应速度的要求.浙江工业大学采用了连续跟踪控制的办法,消除了两者之间的矛盾,获得了 良好的动态特性. 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.

　　随着各项技术水平的发展,通过采用新型的传感器和计算机技术研制出机械,电子, 传感器及计算机自我管理(故障诊断,故障排除)为一体的智能化新型伺服阀.该类伺服阀 可按照系统的需要来确定控制目标:速度,位置,加速度,力或压力.同一台伺服阀可以根 据控制要求设置成流量控制伺服阀, 压力控制伺服阀或流量/ 压力复合控制伺服阀. 并且伺 服阀的控制参数,如流量增益,流量增益特性,零点等都可以根据控制性能化原则进行 设置.伺服阀自身的诊断信息,关键控制参数(包括工作环境参数和伺服阀内部参数)可以 及时反馈给主控制器;可以远距离对伺服阀进行监控,诊断和遥控.在主机调试期间,可以 通过总线端口下载或直接由上位机设置伺服阀的控制参数, 使伺服阀与控制系统达到匹 配,优化控制性能.而伺服阀控制参数的下载和更新,甚至在主机运转时也能进行.而在伺 服阀与控制系统相匹配的技术应用发展中, 嵌入式技术对于伺服阀已经成为现实. 按照嵌入 式系统应定义为:"嵌入到对像体系中的专用计算机系统"."嵌入性","专用性"与"计算机 系统"是嵌入式系统的三个基本要素.它是在传统的伺服阀中嵌入专用的微处理芯片和相应 的控制系统, 针对客户的具体应用要求而构建成具有控制参数的伺服阀并由阀自身的控 制系统完成相应的控制任务(如各控制轴同步控制),再嵌入到整个的大控制系统中去.从 目前的技术发展和控制系统对伺服阀的要求看, 伺服阀的自诊断和自检测功能应该有更大的 发展. 结束语 当前的液压伺服控制技术已经能将自动控制技术, 液压技术与微电子有机的结合起来, 形成新一代的伺服阀产品.而随着电子设备,控制策略,软件及材料等方面的发展与进步, 电液控制技术及伺服阀产品将在机,电,液一体化获得长足的进步.