电液伺服阀的应用及发展趋势

电液伺服阀的应用及发展趋势
摘要：电液伺服阀是电液伺服控制系统中的重要控制元件，在系统中起着电业转换和功率放大作用。

具体地说，系统工作时，他直接接收系统传递来的电信号，并把电信号转换成具有相应极性的、成比例的、能够控制电液伺服阀的负载流量或负载压力的信号，从而使系统输出较大的液压功率，用以驱动相应的执行机构。

电液伺服阀的性能和可靠性可以直接影响系统的性能和可靠性，是电液伺服控制系统中引人注目的关键元件。

关键字：电液伺服阀；现状；发展趋势；应用；展望
引言：电液伺服阀是一种变电气信号为液压信号以实现流量或压力控制的转换装置。

它充分发挥了电气信号传递快、线路连接方便，适于远距离控制，易于测量、比较和校正的有点，和液压输出力大、惯性小、反应快的优点。

这两者的结合使电液伺服阀成为一种反应灵活、精度高、快速性好、输出功率大的控制元件。

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一、电液伺服阀研究现状
群控系统(DNC)和柔性制造系统(FMS)等新工艺装备的使用，计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助测试(CAT)的广泛应用，为我们进一步简化伺服阀结构，完善设计，降低工艺制造成本和管理费用，提高产品性能，稳定产品质量，增加产品可靠性和延长使用寿命创造了极其有利的条件。

1、伺服阀的结构改进
(1)在电液伺服阀的部分结构上，主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造，以提高相关性能。

采用三余度技术的电液伺服作动系统[1]将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份，若伺服阀线圈有一路断开，而系统仍能够正常工作，且有系统动态品质性能基本不变，从而提高了伺服作动系统的可靠性和容错能力。

在结构的改进上，针对阀出现的故障提出改进措施，进行结构优化，以满足其相关性能的要求。

从材料方面考虑，阀的某些元件采用了强度、塑性、韧性、硬度等机械性能优良的材料，既可以减少故障，又让阀具备良好的动态性能。

(2)从阀芯和阀套磨配加工工艺的改进上，采用不同的磨配原理，如磁力研磨法等原理来提高阀的工作性能。

阀芯和阀套组成的滑阀副是伺服阀的核心，阀套窗口棱边的几何精度决定了阀的工作性能。

在阀芯加工最后磨配端面时，不能直接获得尖锐的棱边，而是在棱边处产生“毛刺”，然后采取措施加以去除。

上海交大的陈鹏研制了智能化、全自动的伺服阀配磨系统，以计算机为核心，能自动测量阀的输出特性，并给出配磨参数，从而使阀芯、阀套的制造简便、迅速。

1992年由美国某公司在加州制造了一台加工阀芯棱边的CNC液压磨床，由另一公司制造了一台配合磨床的液压测试台，二者结合起来就是自动化流量磨削系统，使产品的完好率从50%提高到85%～90%，生产阀芯的时间缩减75%～80%，制造厂称加工精度可达±015μm，性能相当优良。

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（3）利用优质材料进行伺服阀装配。

由于伺服阀的衔铁组件装配是属薄壁件与细长杆装配，压装力稍大时，易产生使工件变形或装配尺寸压不到位的抱死现象。

喷嘴体与对应孔压装轴向压装力大，喷嘴体常出现打压渗漏油、压力窜动、跳跃现象。

FA表面改质剂不含金属成分及固体润滑剂、树酯等，使用后没有凝固物及杂质产生，与矿物油、液压油等是相溶的。

还有金属清洁与去污特性。

所以可以改善润滑条件，解决压装中的难点[3]
2、动态性能研究
在电液伺服阀动态性能理论分析中，通过分析伺服阀结构原理，辨识其非线性数学模型，再进行仿真研究，以证明动态数学模型的正确性，为电液伺服系统的设计、控制策略的研究、电液伺服阀的工作性能认知提供研究的平台。

采用不同的输入信号(正弦、脉冲等)对电液伺服阀进行试验，求出其动态数学模型。

还可用一种新的混沌遗传算法，结合混沌优化方法与改进型遗传算法IGA(ImprovedGeneticAlgorithm)各自的优点，能够解决传统上用伪随机信号进行系统辩识时参数选择的不确定性问题，而且准确、快速。

利用多目标优化理论，建立统一的目标函数，然后运用优化算法对模型进行优化，获得改善阀动态性能的一组结构参数，从而达到改善电液伺服阀动态性能的目的。

对实际系统中阀前的压力脉动问题，进行了系统的研究，理论建模、仿真计算与试验结果基本一致，并提出了有意义的论点。

高频响高精度电液伺服系统有广泛的应用前景，在有关研究中遇到了阀前压力脉动的困扰，对液压管道上支路连接蓄能器进行了有益的研究，指出:蓄能器在一定的频率范围内可以起到较好的滤波作用，而现在需要既能提供高频流量，又能在0～500Hz左右有较好的滤波作用的低阻高通滤波器件。

影响系统稳定性的研究，主要从减小阀分辨率误差以及系统的频带等因素进行，王向周等对三级电液伺服阀加入PD校正环节展宽了频带和减小了先导二级伺服阀的阻尼系数，有利于三级阀系统的稳定。

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二、电液伺服阀的发展方向
为适应液压伺服系统向高性能、高精度和自动化方向发展需要,伺服阀主要发展方向是:
(1)标准化目前,国内在研究、生产和使用电液伺服阀方面虽然已初具规模,型号品种也基本相当于国外大部分产品,但由于各自为政、力量分散,标准不很规范,十分不利于伺服阀的进一步发展。

因此,着重解决标准化问题已成当务之急。

(2)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(CAD)、计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助工艺规划(CAPP)、计算机辅助检验(CAI)、计算机辅助测试(CAT)和现代管理系统集成在一起,建立计算机制造系统(CIMS)使设计与制造技术有一个突破性的发展。

(3)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(fieldbuses),实现高水平的信息系统,从而简化伺服阀的使用、调节和维护。

(4)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。

(5)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。

(6)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)。

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三、电液伺服阀的研究现状
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）在结构改进上，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。

由于伺服阀被污染是导致伺服阀失效的最主要原因。

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。

而且，俄罗斯还在其研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置传感器，用来检测阀芯位置。

一旦出现故障信号可立即切换备用伺服阀，大大提高了系统的可靠性，此种两余度技术已广泛的应用于航空行业。

而且，美国的Moog公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四余度的伺服机构用于航天行业。

我国的航天系统有关单位早在90年代就已进行三余度等多余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常工作。

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）在加工工艺的改进方面，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，上海交通大学、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。

在力矩马达的焊接方面，中船重工第704研究所与德国知名厂家合作，采用了世界最先进的焊接工艺取得了良好的效果。

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。

对弹性元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，且不重复性测量误差不大于1%。

（3）在材料的更替上方面。

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。

航空六O九所、中船重工第七O四研究所等单位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。

此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。

（4）在测试方法改进方面，随着计算机技术的高速发展，生产单位均采用计算机技术对伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。

某些单位还对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。

如采用测频/测周法、寻优信号测试法、小波消噪法、正弦输入法及数字滤波等新技术对伺服阀测试设备及方法进行了研制和改进。

四、电液伺服阀发展展望
从电液伺服阀的发展历史和当前现状中，可以看出电液伺服阀的发展与足工业需求是分不开的，也是当时相关科学技术发展水平与发展阶段分不开的。

如在航空航天领域，要求电液伺服阀体积小、质量小，于是有了MOOG 30系列电液流量伺服阀问世。

此系列伺服阀尺寸很小，质量仅190g。

有些电液伺服系统用阀，尤其是航空航天用阀，要求可靠性能很高，因此针对特定系统研制出余度伺服阀。

工业用阀一般要求具有一定的抗污染能力，于是研制出了DDV型直驱式伺服阀和抗污染能力强的MK型和PG型动圈式伺服阀。

随着微电子技术和数字技术的发展，又研制出了各种各样的高性能电反馈伺服阀，有的电反馈伺服阀的电控器采用了可编程伺服控制器，将数控技术直接应用于伺服阀，等等。

总的来看，目前伺服阀的设计制造技术较为成熟，随着工业的发展，伺服阀技术也将不断发展，有所提高。

目前应从以下几个方面进行改进：（1）直驱式伺服阀性能优良，抗污染能力较强，但它的体积质量较大，应设法对其微型化，使它可以应用于航空航天领域；
（2）对于工业用电反馈伺服阀，进一步推广采用数字式可编程伺服控制器；
（3）通过大量的伺服阀使用过程，证明伺服阀的阀芯阀套是易损件，特别是控制节流边受高速流体冲刷，更易磨损；此外，力反馈伺服阀中反馈杆小球也易磨损。

这是影响伺服阀寿命的关键之处，应设法寻求耐磨性能更好的材料代替现有材料；
（4）双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀，无论是国产的还是进口的，在使用过程中偶尔发生高频啸叫现象，应深入研究这一现象的原因，彻底根除这一现象。

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参考文献：
[1]王积伟，液压传动，机械工业出版社，2006.12
[2]陈彬，易孟林；电液伺服阀的研究现状和发展趋势； 2005年第6期
[3]浙人，编译。

加工精密伺服阀的自动化“流量磨削”系统[J]。

世界制造技术与装备市场，1994(4):70
[4]王向周，张先雨，王渝1三级电液伺服阀系统稳定性探讨[J]1液压与气动，2001(7):9-11。

[5]陈彬，易孟林；电液伺服阀的研究现状和发展趋势； 2005年第6期
[6]田源道，电液伺服阀技术，航空工业出版社， 2008.1。