电液伺服阀—已往、如今和未来

1. 介绍

伺服阀是闭环电液活动控制体系的次要元件。“伺服阀”是指主阀芯地位与电信号成比例，而阀芯活动是由外部液动力驱动的。阀芯的活动改动节省口的巨细，因而控制了流量；但是，流量取决于节省口压差，除非利用了压力赔偿器。最罕见的伺服阀设计便是带机器反应的两级喷嘴挡板伺服阀（图1）。

图1 两级喷嘴挡板伺服阀

次要元件有：

• 力矩马达作为电气与机器的转换器，由弹簧管支持，其无摩擦偏转，断绝了力矩马达与液压油（图2a）。

• 挡板由力矩马达驱动，可以限定经过喷嘴的流量（图2b）；挡板行程~0.1mm。也可以用单个喷嘴（图2c），其只能用于调治阀芯一侧的压力。但由于液动力的不屈衡，其对力矩马达有更高的要求。

• 第一级构成H型液压桥式回路，此中一对喷嘴是可背叛流器，当挡板偏转的时分，会在阀芯两头发生压差。

• 反应弹簧杆动员阀芯挪动（行程约莫~1mm），直到挡板的反应力与力矩马达的力相均衡，挡板将再回到中心地位。

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图2 喷嘴挡板先导级元件

伺服阀既是一个功率缩小器，也是一个电气与液压的转换器。电气输出功率一样平常约0.1W，颠末先导级缩小之后，液压输入功率约达10W，颠末主阀芯转换之后液压输入功率可达10kW。因而阀的功率缩小因子到达10⁵。关于一个三级阀，小阀芯驱动大阀芯，且带电气地位反应，可以进一步带来别的100倍的功率缩小。假如是4级阀，缩小因子也是同此原理。

2. 开展进程

初期的电液伺服阀次要是为军事用处而开辟，如用在二次天下大战的主动火炮对准。这类伺服阀典范的包括了电磁驱动阀芯，并带阀芯弹簧对中。次要用于流量控制，但控制精度很低，呼应也很慢。Tinsley产业仪表公司（伦敦）请求了第一个两级伺服阀专利（图3）。电磁铁（34）驱动第一级带弹簧对中的阀芯（47），其驱动一个旋转活动的主级（51），经过凸轮（54）把其地位反应到第一级，反应弹簧（59）把地位转换为力。

图3 Tinsley1946年创造的两级阀：

电磁铁 (34); 先导级阀芯 (47); 主级 (51); 反应凸轮 (54); 反应弹簧 (59)

伺服阀在20世纪50年月失掉了迅猛开展，次要是由于航空产业（分外是导弹）的需求在驱动。技能形态的开展和产品的系列化都获得了长足前进。1955年，在美国的Bell,Bendix, Bertea, Cadillac Gage, Drayer Hanson, GE,  Hughes, Hydraulic  Controls,  MIT, Midwestern  Geophysical  Labs, Honeywell,  Moog,  North American  Aviation,  Peacock, Pegasus,  Raythoen,  Sanders, Sperry,  Standard Controls 和Westinghouse等公司，伺服阀被制造（至多是样机）出来。各人认识到，单级间接驱动电磁阀主阀芯仅限于低流量，次要是由于电磁力过小，不敷以克制摩擦力，惯性力以及液动力。增长电磁实行器件的尺寸虽然可以进步电磁力，但由于电磁元件质量的增长以及更高的线圈电阻都市减小静态呼应。

两级阀次要利用喷嘴挡板大概更小的滑阀作为先导级，固然事先射流管曾经呈现，但被以为呼应慢一些而次要用于产业而非航空用处。喷嘴挡板阀，无论是单喷嘴照旧双喷嘴，从1920年之后，都曾经很好的使用于气动控制体系，如Foxboro公司所制造的。第二级（或主级）偶然接纳弹簧对中，大概由外部的反应，驱动主阀芯，使其与电气输出信号成比例。主阀芯地位反应要么机器的，经过反应弹簧杆加载电磁驱动力（力反应），大概电气上即主级阀芯上利用位移传感器。液压反应，经过负载压力与第一级压力的比力，用于压力控制使用。

局部制造商两级流量控制阀的清单见表1。由表可见，差别制造商，其电磁驱动、先导级和主级反应等，都不是完全一样的。此中一些在图4和图5中表明。

表1: 1955年开端的伺服阀设计

图4：1955年开端的喷嘴挡板设计

图5: 1955年开端的先导级滑阀设计

液压控制阀的最后设计是在MIT，并在由Blackburn，Reethof和Shearer合著的书上有细致的形貌。这本书是在50年月，由MIT员工给产业范畴的工程师培训的一个课程。这种阀表现，电气地位反应可以做得很无效，因而也动员了扭矩马达的开展。

Cadillac Gage FC-2 阀 (图 4b)值得娱乐平台留意的，它是两级阀的先驱，厥后也成为了设计尺度：它在先导级把力矩马达与喷嘴挡板联合起来(固然是单喷嘴)，主阀芯的机器力反应接纳反应弹簧杆。

Moog阀（图4a）最后由W.C.(Bill)Moog在康奈尔航空实行室（Cornell AeronauticalLaboratory）设计，并用于航空与导弹发射控制使用。Moog带来了少量实践的进步。经过弹簧管支持力矩马达，使得弹簧管偏置时更轻，摩擦力更小，减小了阀的阈值，进步了辨别率。1953年Moog取得了此项专利之后，又开端请求别的方面的专利，即改动单喷嘴设计的缺陷，提出了接纳双喷嘴挡板的机构，以消弭其对供油压力的敏感。

一个通常的妨碍便是磁性颗粒被油液带入收集在力矩马达，这在Series 2000阀上第一次失掉理解决，即经过把力矩马达和油液断绝开来。贝尔航空（BellAerospace）在1953年请求了此项专利。

• Sanders SA17D – 音圈（voice coil）/双喷嘴挡板/机器力反应：一切元件轴向部署。

• Cadillac Gage FC200 – 干式力矩马达/双喷嘴挡板/液压反应

• Pegasus  Model  20 – 音圈（voice coil）大概电磁铁/双喷嘴-双挡板/经过在阀芯端部设置小孔，完成机器地位反应；双向对称版本（见图4c）

• Hagan – 音圈（voice coil）/ 先导级滑阀，旋转以减小摩擦/无反应

同期反应的技能题目次要是零漂（固然次要缘故原由是力矩马达的温度敏理性），喷嘴和挡板的锈蚀，力矩马达的非线性（假如设计电流过小），以及高频不波动。事先，只要Moog和Cadillac  Gage有批量消费的阀用于商用目标，Bendix也有许多阀，但只在终极客户那边举行测试。

3. 产业阀

到20世纪50年月底，两级机器力反应伺服阀曾经在军事和航空范畴开端使用，次要包罗航空和导弹航行控制，雷达驱动和导弹发射，以及伺服液压体系开端使用于太空火箭的发射。

此时，伺服液压大概的产业使用也被人们渐渐认识到，少量的使用包罗机床，注塑机，汽轮机，冶金轧机，以及仿真和测试产业的精细控制。一些产业阀是从航空阀窜改而来的，好比“73”系列为最早的产业阀，是由Moog引入的。

产业阀必需要廉价，易维护，并包罗如下特性：

• 阀体可更大，利便机加工

• 先导级独立，便于调解和维护

• 尺度油口尺寸

• 内置过滤器，应对产业过滤略低的尺度

  
  

绝对于机器阀芯地位反应，电气反应可以取得更高的闭环增益，从而进步静态呼应，并且也可以校正滞环大概温度效应惹起的偏差。机器反应阀固有的宁静和紧凑对航空范畴来说具有很大的吸引力，但在产业阀，从1970年之后开端接纳电气反应。这此中一个标记性的事情便是Bosch在1973年引入了板式安置伺服阀，带射流管，接纳霍尔效应地位传感器，更紧张的是带集成电子缩小器。

Rexroth, Bosch, Vickers以及别的的液压抑造商均开辟了单级伺服阀，接纳一比拟例电磁铁控制弹簧对中的阀芯，开环控制，其与在20世纪50年月开辟的单级阀相似，但事先被航空产业使用给反对了。经过接纳电气地位反应和闭环控制，改进了控制精度以及呼应工夫。与比例电磁铁相比，线性力马达大概音控线圈实行器改进了线性度；80年月，用稀土磁体（Rare earth magnet）取代磁钢（Alnico magnet），克制了先导级输入力巨细的范围性。这种直动式阀由Moog开辟（图6），之后Parker也开辟了相似产品，其具有与二级阀相称的静态呼应。

图6：力马达间接驱动，集成电子

表2示出了典范阀的特征，包罗阀芯驱动力型式。高的阀芯驱动力不但有利于克制液动力，减速阀芯活动，并且可以更好的克制小颗粒净化物的混合，从而制止卡阀。

表 2: 典范4通阀的功能参数@额外流量40L/min（70bar压降

4. 新鲜的电液伺服阀设计

这些年来，林林总总[lín lín zǒng zǒng]的关于阀的设计被探究和开辟出来，用以进步静态呼应，减小走漏，改进维护性大概提拔别的绝对于传统阀的好处。大局部的研讨都会合在接纳新的办法来改进阀芯驱动，其每每触及到新质料的使用。

4.1  压电效应实行器

当电场作用的时分，压电陶瓷变形十分快，但最大变形量很小，约莫只要0.15%。因而，接纳货仓方法的实行器（图7a）实践上也必要活动的缩小，即便在先导级（比方挡板活动大约0.1mm）。矩形弯曲实行器（图7b）可以为先导级提供充足的位移，公道的力范畴（10N~100N）。此种弯曲型式的陶瓷层厚度约莫20μm，因而电压约莫至50V，可提供充足的磁场强度。但是，压电陶瓷质料受制于滞环（典范的20%），蠕动，货仓实行器长度取决于温度等要素的影响。由于实行器体现得像一个电容，呼应速率通常受限于缩小器电流的限定。

在1955年终于阀的观察中，电机器转换的实行器只要电磁的方法，但也提到“压电晶体”被用于某些实验模子，以获取更好的呼应。但是，到现在为止照旧没有被普遍承受，由于对其抗震功能，温度变革，电气乐音等的高度猜疑，以及较难从晶体里获取充足的位移。压电晶体的阀在1955已有专利，包罗压电晶体挡板用于双喷嘴挡板阀，另有通报流体的压电晶体油泵。

图7：压电效应

接纳货仓方法的实行器驱动阀芯必要一些活动缩小。好比接纳静压变压器，内充硅橡胶并带有肯定的面积比率。相位滞后-90°的带宽频率可达270Hz，而且在阀芯两头接纳两个反向的实行器以减小温度敏理性（图8）。机器缩小接纳连杆的方法（图9）。

图 8：阀芯活动带静压缩小压电货仓活动

图 9：阀芯活动，带机器缩小压电货仓活动

接纳压电实行器取代二级阀中的力矩马达在浩繁的研讨中均有陈诉。图10，该伺服阀接纳机器反应阀挪动挡板。图11，一种航空伺服阀，带反应杆，接纳矩形压电陶瓷弯曲实行器来驱动偏转安装，创造者以为其在射流管处只会发生更小的液动力。与力矩马达相比，其被以为压电陶瓷弯曲实行器可以更好加工，更好测试，以及具有更好的反复性。在近来的一个样机中，环形实行器被用于先导级。先导级是迷你阀，带正遮掩以补偿走漏。接纳电气地位反应的阀见图12。

图10：压电货仓，用于两级阀

图 11：压电环形弯曲实行器 先导阀芯 两级电反应阀