电液伺服阀的发展趋势与现状

电液伺服阀与比电液例阀的研究现状与发展趋势

王迪

学号：1101100328

（广西大学机械工程学院530004）

摘要：电液比例阀是电液比例控制技术的核心元件,它按照输入电信号指令,连续成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。电液伺服阀是电液伺服控制系统中的关键元件。二者均在电液比例系统以及电液伺服系统中起到重要作用。本文中以电液比例换向阀和电液伺服阀为例详细介绍了其工作原理，并从性能、方展、前景等方面分别对两类阀进行了阐述，使我们对其有了更深刻的认识。

关键词：电液比例阀；电液比例换向阀；电液伺服阀；现状；趋势

1 引言

液压工业己成为全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司（PARKER HANNIFIN）、德国的力士乐（REXROTH）和博世公司（BOSCH）等居世界领先地位，我国液压工业距国外还有一定的差距。

现代液控技术始于第一次世界大战后。今天，机电一体化的进程对液控技术提出了更多的需求，而计算机技术和控制理论的发展则为液压技术注入了新的动力。电液比例阀与电液伺服阀作为液压系统中的重要控制元件，分别代表了电液比例技术与电液伺服技术的发展情况。电液伺服阀与电液比例阀的出现使液压系统与现代化的电子技术结合的更加紧。

电液比例阀,是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件,代表了流体控制技术的发展方向[ 1 ] 。它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用电- 机械转换装置,将电信号转换为位移信号,按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。

电液伺服阀不仅能够实现微小电气信号向大功率液压信号(流量与压力)的转换,还可以根据输入电信号的大小,成比例地输出相应的流量和压力。因此,在电液伺服系统中,电液伺服阀将电气部分与液压部分连接起来,实现整个系统的控制策略和执行元件的动作。所以,电液伺服阀的性能,特别是其电液伺服阀的动特性和稳定性,直接影响到整个液压系统乃至机械设备的可靠性和寿命。电液伺服阀的发展史就是一部力图获得速度更快、精度更高、稳定性更好的创新史[ 2 ]。

2 发展历史

2.1电液伺服阀发展历史

最早使用液压伺服技术的机构也许已经湮灭在浩瀚的历史长河中。直到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。如:两级间

形成了闭环反馈控制;力矩马达更轻移动距

离更小;前置级对功率级的压差通常可达到

50%以上;前置级无摩擦并且与工作油液相

互独立;前置级的机械对称结构减小了温度、

压力变化对零位的影响。

2.2电液比例阀发展历史

1967年瑞士布林格尔(Beringer)公司

生产出KL用于船体表面除锈涂漆工艺的比

例方向节流阀,这是世界上最早的比例阀[3 ] 。1971年和1972年日本油研(Yuken)公司相续申请了比例压力阀和比例流量阀的专

利,引起了许多国家及公司的广泛重视,推

动了比例阀技术的发展[ 4] 。这期间出现的比

例压力阀(溢流阀和减压阀)基本是以传统

手调液压阀为基础发展而来,区别仅是用比

例电磁阀铁取代了阀上原有的弹簧手调机

构,阀的结构原理和设计准则几乎没有变化。

小流量阀采用直接作用式结构,大流量阀仍

采用1936年美国人维克斯(Harry Vickers)

发明的“差动式压力控制原理”[ 5、6] 。因为

不包含受控参数的反馈环节,导致控制压力

随着负载流量的不同而改变,这是此类比例

阀的主要不足,而且由于比例电磁铁性能较

差, 这类比例阀的工作频宽低(仅1 ～5Hz) ,

稳态磁环大(4%～7% ) ,体积也大,多用在开

环系统[ 7]。

20世纪80年代初,浙江大学路甬祥提出

了压力直接检测原理,他应用该原理设计的

比例溢流阀获得了德国发明专利[ 8 ] 。按此原

理,国内外研制的比例溢流阀和比例减压阀

的性能都获得了显著提高,实现了人们长期

以来所追求的等压力特性[ 9 ] 。

从20世纪80年代后期开始,比例压力控

制技术的又一进展是采用电气闭环校正,出

现了被控压力―压力传感器检测的新一代

比例压力阀。采用这种原理可将电- 机械转

换器的非线性和先导阀的非线性扰动都包

含在闭环之内,因而可实现无静差控制,同

时利用电气校正也可以很方便地改善阀的

稳定性和快速性。

3 研究现状

3. 1 电液伺服阀研究工作综述

通过前述可以看出,电液伺服阀已经不可能出现原理的改变,要知道本身它的发展史就没有多少重要的变化。但是,我们可以就某些特定方面进行技术革新。当前电液伺服阀的研究主要集中在结构的改进、材料的使用及测试方法的改变[9] 。

（1）结构方面。在结构改进方面,针对伺服阀常见故障进行分析,提出改进方案,采用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)手段,进行结构优化,以满足阀的性能要求。如:直驱式伺服阀的产生、压电陶瓷式伺服阀的出现。此外,还有利用三余度技术对伺服阀的机构进行改造,将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套。若某个关键元件发生故障,可随时切换另外备用套,从而保证阀的正常工作,提高了系统的可靠性和使用寿命。

（2）材料方面。在材料替换方面,可以针对电液伺服阀的性能要求,对特定的零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料。对密封圈的材料进行更替,可以使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。用红宝石材料制作喷嘴档板,可以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。此外,永磁式力矩马达中电磁铁的材料采用超磁致伸缩材料,可以提高电液伺服阀的动态响应特性。

（3）测试方面。在对电液伺服阀的动静态特性进行测试时,测量仪器本身的影响、外界电磁信号的干扰等都会对测试结果造成影响,严重时不能正确反映伺服阀的性能。此外,尽可能地提高测量仪器的测量精度,可以更准确地反映伺服阀产品本身的特性,有助于保证整个液压系统的稳定性、快速性及经济性。因此,很多个人及单位对测试仪器、测试技术等做了深入的研究。

3.2电液比例阀研究工作综述

电液比例阀：根据用途和工作特点的不同,比例阀可以分为比例压力阀(如比例溢流阀、比例减压阀)、比例流量阀(如比例节流阀、比例调速阀)和比例方向阀(电液比例换向阀)三类。电液比例换向阀不仅能控制方向,还有控制流量的功能。下面总体介绍