电液伺服阀的研究现状与发展趋势

1、电液伺服阀的研究现状与发展趋势一电液伺服阀简介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

2、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。电液伺服系统在工程机械上的应用十分广泛,如大量用于摊铺机、压路机等机种。近年来,工程机械的发展及电液伺服系统应用领域的拓宽,对电液伺服阀提出了更高的技术要求:如高压、大流量、抗干扰、抗油液污染、高频响、使用方便和成本低廉等,而传统的电液伺服阀已经难以达到这些要求,因此新型电液伺服阀的研制成为流体传动控制领域发展的一大难题。随着基于新型功能材料的转换器的研制开发,机械制造、设计技术和微电子技术的发展,近期电液伺服阀的技术进展很大。二电液伺服阀

3、历史与发展现状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

4、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. 市场情况 目前，国内生产伺服阀的厂家主要有：航空工业总公司第六o九研究所、航空工业总公司第六一八研究所、航空工业总公司秦峰机床厂、北京机床研究所、中国运载火箭技术研究院第十八研究所、上海航天控制工程研究所及中国船舶重工集团公司第七o四研究所。国外生产伺服阀的厂家主要有：美国moog公司、英国dowty公司、美国team公司、俄罗斯的“祖国”设计局、沃斯霍得工厂等，此外美

5、国park公司、eatonvickers公司、德国bosch公司、rexroth公司等亦有自己的伺服阀产品。 电液伺服阀一般按力矩马达型式分为动圈式和永磁式两种。传统的伺服阀大部分采用永磁式力矩马达，此类伺服阀还可分为喷嘴挡板式和射流式两大类。目前国内生产伺服阀的厂家大部分以喷嘴挡板式为主。生产射流管式伺服阀形成规模及系列的只有中国船舶重工集团公司第七o四研究所。国外情况亦类似，原专业生产射流管式伺服阀的厂家美国abex公司也已被park公司所吞并。然而，由于射流管式伺服阀具有抗污染性能好、高可靠性、高分辨率等特点。有些生产厂家也在研制或已推出自己的射流管式产品，如航空工业总公司第六o九研究所

6、、中国运载火箭技术研究院第十八研究所、美国moog公司及俄罗斯的有关厂家等。美国moog公司还在2006年7月召开了产品推广会，推出了射流管式的d660系列产品，并认为该产品代表了今后伺服阀的发展趋势。 当前国内在研究、生产及使用伺服阀方面虽然形成了一定的规模。然而生产的产品主要用于航空、航天、舰船等军品领域，在民品市场占有率不大。同时，由于各生产单位各自为战、缺少合作、力量分散，很不利于伺服阀的进一步发展，也无法形成强大的竞争力与国外产品进行竞争。现国外产品在国内市场占有率最大的为moog公司，它的产品占据了国内绝大部分的民品市场。 3. 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

7、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

8、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

9、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。

10、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。三

11、 电液伺服阀的发展方向综上所述,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

12、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(field buses) ,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