电液伺服阀的发展与研究现状综述

电液伺服阀的发展与研究现状综述

机电1305班丁一翔 201302070408

1.引言

电液伺服阀是闭环控制系统中最重要的一种伺服控制元件，它能将微弱的电信号转换成大功率的液压信号(流量和压力)。用它作转换元件组成的闭环系统称为电液伺服系统。电液伺服系统用电信号作为控制信号和反馈信号，灵活、快速、方便;用液压元件作执行

机构，重量轻、惯量小、响应快、精度高。对整个系统来说，电液伺服阀是信号转换和功率放大元件;对系统中的液压执行机构来说，电液伺服阀是控制元件;阀本身也是个多级放大的闭环电液伺服系统，提高了伺服阀的控制性能。

电液伺服阀代表性的产品有喷嘴挡板式、射流管式、偏转板射流式、动圈滑阀式等类型的伺服阀。它具有体积小、功率放大率高、直线性好、死区小、响应速度快、运动平稳可靠，能适应模拟量和数字量调制等优点，所以在各种电液伺服系统中得到了极广泛的应用，成为系统中的“心脏”，受到特别的重视。

2.电液伺服阀的发展

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第一个液压伺服系统—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AskaniaWerke发明及申请了射流管阀原理的专利。同样，Foxboro发明了喷嘴挡板的原理并获得专利。而德国Sianens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;M1T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第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。1953-1955年间，T. H. Carson发明了机械反馈式两级伺服阀;W . C. M oog发明了双喷嘴两级伺服阀;W olpin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Askanis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的竞争。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J恢复通常可达到500 o;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。

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。如M oog公司就在1963年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。然而M oog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21M P。有的甚至到35MP。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，M oog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。Vicke 二公司研制了压力补偿的

KG型比例阀。Rexroth, Bosch及其它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。

3电液伺服阀研究现状

群控系统(DNC)和柔性制造系统(F1VIS)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。本文从电液伺服阀的结构改进、测量和测试设备技术、动态性能研究、故障检测技术和新型阀的研制等方面介绍其研究现状。

3.1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%一80%，制造厂称加工精度可达10. 5 lam，性能相当优良

(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、树醋等，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测量和测试设备技术CAT

在对液压伺服阀的静、动态特性进行试验测量时，由于测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频随机干扰使被采集的信号中混有相当成分的高频噪声，使信号

特征不能真实反映伺服阀实际性能。因此研制对电液伺服阀进行高精度、高可靠性而易于操作的计算机辅助实时测试设备技术非常必要，为电液伺服控制系统的设计或调整，提供准确可靠的伺服阀实际特性依据。

(1)有关静态特性的测试技术一测频/测周法

从简化了测试系统，方便操作方面，对电液伺服阀的额定流量(大流量)和泄漏流量(小流量)的测试，将测频法(对大流量的测试)与测周法(对小流量的测试)结合起来，进行宽范围的流量测试。由于光栅传感器采用脉冲量，分辨率高、抗干扰能力强，也提高了系统的测试精度，曾良才等人开发了一套用光栅传感器测