電液伺服閥的發展過程及研究現狀分析

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江邊鳥

電梯直達

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發表于 2008-12-17 08:26:29 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

一概述

電液伺服閥是電液伺服控制中的關鍵元件，它是一種接受模擬電信號后，相應輸出調制的流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動態響應快、控制精度高、使用壽命長等優點，已廣泛應用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領域的電液伺服控制系統中。

二發展過程

液壓控制技術的歷史最早可追溯到公元前240年，當時一位古埃及人發明了人類歷史上第一個液壓伺服系統——水鐘。然而在隨后漫長的歷史階段，液壓控制技術一直裹足不前，直到18世紀末19世紀初，才有一些重大進展。在二戰前夕，隨著工業發展的需要，液壓控制技術出現了突飛猛進地發展，許多早期的控制閥原理及專利均是這一時代的產物。如：Askania調節器公司及Askania-Werke發明及申請了射流管閥原理的專利。同樣，Foxboro發明了噴嘴擋板閥原理的專利。而德國Siemens公司發明了一種具有永磁馬達及接收機械及電信號兩種輸入的雙輸入閥，并開創性地使用在航空領域。

在二戰末期，伺服閥是用螺線管直接驅動閥芯運動的單級開環控制閥。然隨著控制理論的成熟及軍事應用的需要，伺服閥的研制和發展取得了巨大成就。1946年，英國Tinsiey獲得了兩級閥的專利；Raytheon和Bell航空發明了帶反饋的兩級閥；MIT用力矩馬達替代了螺線管使馬達消耗的功率更小而線性度更好。1950年，W.C.Moog第一個發明了單噴嘴兩級伺服閥。1953年至1955年間，T.H.Carson發明了機械反饋式兩級伺服閥；W.C.Moog發明了雙噴嘴兩級伺服閥；Wolpin發明了干式力矩馬達，消除了原來浸在油液內的力矩馬達由油液污染帶來的可靠性問題。1957年R.Atchley利用Askania射流管原理研制了兩級射流管伺服閥。并于1959年研制了三級電反饋伺服閥。

1959年2月國外某液壓與氣動雜志對當時的伺服閥情況作了12頁的報道，顯示了當時伺服閥蓬勃發展的狀況。那時生產各種類型的伺服閥的制造商有20多家。各生產廠家為了爭奪伺服閥生產的霸權地位展開了激烈地競爭?；仡櫄v史，可以看到最終取勝的幾個廠家，大多數生產具有反饋及力矩馬達的兩級伺服閥。我們可以看到，1960年的伺服閥已具有現代伺服閥的許多特點。如：第二級對第一級反饋形成閉環控制；采用干式力矩馬達；前置級對功率級的壓力恢復通常可達到50%；第一級的機械對稱結構減小了溫度、壓力變化對零位的影響。同時，由早期的直動型開環控制閥發展變化而來的直動型兩級閉環控制伺服閥也已出現。當時的伺服閥主要用于軍事領域，隨著太空時代的到來，伺服閥又被廣泛用于航天領域，并研制出高可靠性的多余度伺服閥等尖端產品。
與此同時，隨著伺服閥工業運用場合的不斷擴大，某些生產廠家研制出了專門使用于工業場合的工業伺服閥。如Moog公司就在1963年推出了第一款專為工業場合使用的73系列伺服閥產品。隨后，越來越多的專為工業用途研制的伺服閥出現了。它們具有如下的特征：較大的體積以方便制造；閥體采用鋁材（需要時亦可采用鋼材）；獨立的第一級以方便調整及維修；主要使用在14MPa以下的低壓場合；盡量形成系列化、標準化產品。然而Moog公司在德國的分公司卻將其伺服閥的應用場合主要集中在高壓場合，一般工作壓力在21MPa，有的甚至到35MPa，這就使閥的設計專重于高壓下的使用可靠性。而隨著伺服閥在工業場合的廣泛運用，各公司均推出了各自的適合工業場合用的比例閥。其特點為低成本，控制精度雖比不上伺服閥，但通過先進的控制技術和先進的電子裝置以彌補其不足，使其性能和功效逼近伺服閥。1973年，Moog公司按工業使用的需要，把某些伺服閥轉換成工業場合的比例閥標準接口。Bosch研制出了其標志性的射流管先導級及電反饋的平板型伺服閥。1974年，Moog公司推出了低成本、大流量的三級電反饋伺服閥。Vickers公司研制了壓力補償的KG型比例閥。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用兩個線圈分別控制閥芯兩方向運動的比例閥等等。
三國內外的現狀

1市場情況

目前，國內生產伺服閥的廠家主要有：航空工業總公司第六O九研究所、航空工業總公司第六一八研究所、航空工業總公司秦峰機床廠、北京機床研究所、中國運載火箭技術研究院第十八研究所、上海航天控制工程研究所及中國船舶重工集團公司第七O四研究所。國外生產伺服閥的廠家主要有：美國Moog公司、英國Dowty公司、美國Team公司、俄羅斯的“祖國”設計局、沃斯霍得工廠等，此外美國Park公司、EatonVickers公司、德國Bosch公司、Rexroth公司等亦有自己的伺服閥產品。

電液伺服閥一般按力矩馬達型式分為動圈式和永磁式兩種。傳統的伺服閥大部分采用永磁式力矩馬達，此類伺服閥還可分為噴嘴擋板式和射流式兩大類。目前國內生產伺服閥的廠家大部分以噴嘴擋板式為主。生產射流管式伺服閥形成規模及系列的只有中國船舶重工集團公司第七O四研究所。國外情況亦類似，原專業生產射流管式伺服閥的廠家美國Abex公司也已被Park公司所吞并。然而，由于射流管式伺服閥具有抗污染性能好、高可靠性、高分辨率等特點。有些生產廠家也在研制或已推出自己的射流管式產品，如航空工業總公司第六O九研究所、中國運載火箭技術研究院第十八研究所、美國Moog公司及俄羅斯的有關廠家等。美國Moog公司還在2006年7月召開了產品推廣會，推出了射流管式的D660系列產品，并認為該產品代表了今后伺服閥的發展趨勢。

當前國內在研究、生產及使用伺服閥方面雖然形成了一定的規模。然而生產的產品主要用于航空、航天、艦船等軍品領域，在民品市場占有率不大。同時，由于各生產單位各自為戰、缺少合作、力量分散，很不利于伺服閥的進一步發展，也無法形成強大的競爭力與國外產品進行競爭?，F國外產品在國內市場占有率最大的為Moog公司，它的產品占據了國內絕大部分的民品市場。

2研究現狀

當前電液伺服閥的研究主要集中在結構及加工工藝的改進、材料的更替及測試方法的改變。

1）在結構改進上，目前主要是利用冗余技術對伺服閥的結構進行改造。由于伺服閥是伺服系統的核心元件，伺服閥性能的優劣直接代表著伺服系統的水平。另外，從可靠性角度分析，伺服閥的可靠性是伺服系統中最重要的一環。由于伺服閥被污染是導致伺服閥失效的最主要原因。對此，國外的許多廠家對伺服閥結構作了改進，先后發展出了抗污染性較好的射流管式、偏導射流式伺服閥。而且，俄羅斯還在其研制的射流管式伺服閥閥芯兩端設計了雙冗余位置傳感器，用來檢測閥芯位置。一旦出現故障信號可立即切換備用伺服閥，大大提高了系統的可靠性，此種兩余度技術已廣泛的應用于航空行業。而且，美國的Moog公司和俄羅斯的沃斯霍得工廠均已研制出四余度的伺服機構用于航天行業。我國的航天系統有關單位早在90年代就已進行三余度等多余度伺服機構的研制，將伺服閥的力矩馬達、反饋元件、滑閥副做成多套，發生故障可隨時切換，保證系統的正常工作。此外多線圈結構、或在結構上帶零位保護裝置、外接式濾器等型式的伺服閥亦已在冶金、電力、塑料等行業得到了廣泛的應用。

2）在加工工藝的改進方面，采用新型的加工設備和工藝來提高伺服閥的加工精度及能力。如在閥芯閥套配磨方法上，上海交通大學、哈爾濱工業大學均研制出了智能化、全自動的配磨系統。特別是哈爾濱工業大學的配磨系統改變了傳統的氣動配磨的模式，采用液壓油作為測量介質，更直接地反應了所測滑閥副的實際情況，提高了測量結果的準確性與精度。在力矩馬達的焊接方面，中船重工第704研究所與德國知名廠家合作，采用了世界最先進的焊接工藝取得了良好的效果。另外，哈爾濱工業大學還研制出智能化的伺服閥力矩馬達彈性元件測量裝置。解決了原有手動測量法中存在的測量精度低、操作復雜、效率低等問題。對彈性元件能高效完成剛度測量、得到完整的測量曲線，且不重復性測量誤差不大于1%。

3）在材料的更替上方面。除了對某些零件采用了強度、彈性、硬度等機械性能更優越的材料外。還對特別用途的伺服閥采用了特殊的材料。如德國有關公司用紅寶石材料制作噴嘴檔板，防止因氣饋造成檔板和噴嘴的損傷，而降低動靜態性能，使工作壽命縮短。機械反饋桿頭部的小球也用紅寶石制作，防止小球和閥芯小槽之間的磨損，使閥失控，并產生尖叫。航空六O九所、中船重工第七O四研究所等單位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油為介質的耐腐蝕伺服閥。此外對密封圈的材料也進行了更替，使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。
4）在測試方法改進方面，隨著計算機技術的高速發展，生產單位均采用計算機技術對伺服閥的靜、動態性能進行測試與計算。某些單位還對如何提高測量精度，降低測量儀器本身的振動、熱噪聲和外界的高頻干擾對測量結果的影響，作了深入的研究。如采用測頻/測周法、尋優信號測試法、小波消噪法、正弦輸入法及數字濾波等新技術對伺服閥測試設備及方法進行了研制和改進。