射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀比较 - 文章

射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀比较

作者：黄增方群王学星

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摘要：射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀是目前世界上运用最普遍的典型两级流量控制伺服阀。该文对两种阀的结构、工作原理及特点作了比较与介绍。并着重分析了射流管式伺服阀在可靠性及工作性能方面的一些优势。
关键词：射流管、喷嘴挡板、伺服阀、力矩马达、先导级、滑阀

1 序言

射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀是目前世界上运用最普遍的典型两级流量控制伺服阀。由于射流管式电液伺服阀在国外属高端产品，主要运用于航空、航天、军事等行业，对国内引进实行限制，目前国内除少数电厂随设备引进较大流量的射流管阀外，一般很少见到该型阀。国内成规模生产该型阀的单位也只有中国船舶重工集团公司第七O 四研究所。而喷嘴挡板式电液伺服阀国内外运用得比较普遍，国内生产该型阀的单位也比较多。本文将对两种阀的构造与特点作一简单介绍。

2 工作原理

2.1 喷嘴挡板式伺服阀的原理

图1 为喷嘴挡板式伺服阀的原理图。它主要由力矩马达、喷嘴挡板式液压放大器、滑阀式功率级及反馈杆组件构成。

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图1 双喷嘴挡板式力反馈电液流量伺服阀

其工作过程为：输入到力矩马达线圈的电气控制信号在衔铁两端产生磁力，使衔铁挡板组件偏转。挡板的偏移将一侧喷嘴挡板可变节流口减小，液流阻力增大，喷嘴的背压升高；而另一侧的可变节流口增大，液流阻力减小，液流的背压降低。这样可得到与挡板位置变化相对应的喷嘴背压，此背压加到与与喷嘴腔相通的阀芯端部，推动阀芯移动。而阀芯又推动反馈杆端部的小球，产生反馈力矩作用在衔铁挡板组件上。当反馈力矩逐渐等于电磁力矩时，衔铁挡板组件被逐渐移回到对中的位置。于是，阀芯停留在某一位置。在该位置上，反馈杆的力矩等于输入控制电流产生的的力矩，因此，阀芯位置与输入控制电流大小成正比。当供油压力及负载压力为一定时，输出到负载的流量与阀芯位置成正比。

2.2 射流管式伺服阀的原理

图2 为射流管式伺服阀的原理图。力矩马达采用永磁结构，弹簧管支承着衔铁射流管组件，并使马达与液压部分隔离，所以力矩马达是干式的。前置级为射流放大器，它由射流管与接受器组成。当马达线圈输入控制电流，在衔铁上生成的控制磁通与永磁磁通相互作用，于是衔铁上产生一个力矩，促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩的小角度。经过喷嘴的高速射流的偏转，使得接受器一腔压力升高，另一腔压力降低，连接这两腔的阀芯两端形成压差，阀芯运动直到反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡，使喷嘴又回到两接受器的中间位置为止。这样阀芯的位移与控制电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于控制电流了。

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图２射流管式力反馈电液流量伺服阀

3 主要特点

射流管式与喷嘴挡板式最大差别在于喷嘴挡板式以改变流体回路上所通过的阻抗来进行力的控制。相反，射流管式是靠射流喷嘴喷射工作液，将压力能变成动能，控制两个接受孔获得能量的比例来进行力的控制。这种方式的阀与喷嘴挡板式相比因射流喷嘴大，由污粒等工作液中杂物引起的危害小，抗污染能力强。且射流管式液压放大器的压力效率及容积效率高，一般为７０％以上，有时也可达到９０％以上的高效率。输出控制力（滑阀驱动力）大，进一步提高了抗污染能力。同样其灵敏度、分辨率及低压工作性能大大优于喷嘴挡板阀。另外，由于射流管式由于在喷嘴的下游进行力控制，当喷嘴被杂物完全堵死时，因两个接受孔均无能量输入，滑阀阀芯的两端面也没有油压的作用，反馈弹簧的弯曲变形力会使阀芯回到零位上，伺服阀可避免过大的流量输出，具有“失效对中”能力，并不会发生所谓的“满舵”现象。但射流管式液压放大器及整个阀的性能不易理论计算和预计，力矩马达的结构及工艺复杂，加工难度大。

喷嘴挡板式的阀与射流管阀相比增益特性比较平坦、整阀性能可计算及预测、并能做得比射流管式小。但按其特性，喷嘴与挡板的间隙不能超过喷嘴直径的1/4，这就决定了该阀的最小尺寸较小，易被污物卡住，使用时必须保持油液的清洁度。一般情况下使用喷嘴挡板阀的油液清洁度要求达到NAS6 级，并要在阀的进油口前设置过滤精度小于10􀂵m 的滤器。而在使用射流管阀的场合下，用NAS8 级已经足够，且滤器用25􀂵m 也够了。并且，由于喷嘴挡板式伺服阀是利用两个喷嘴的背压作为控制力，在工作时如有一侧发生杂物堵塞喷嘴挡板的情况，会造成一侧压力上升，使阀芯向一边移动，阀芯的偏移会形成单方向的流量输出，使执行机构（如舵机）向一边偏移直到最大位置，即所谓的 “满舵”现象。另外，喷嘴挡板阀的压力效率和容积效率约为50%，比射流管低，其控制力较小，因此，其灵敏度、分辨率及低压工作性能不及射流管阀。

4 结构与可靠性

4.1 先导级最小尺寸

伺服阀抗工作液污染的能力一般由其最小尺寸所决定，特别对于先导级型的伺服阀，其先导部分油路中的最小尺寸往往成为决定性的因素。因为从外部来的输入电控信号是在先导部分进行转换的，输出部分滑阀的动作是由先导级的动作`决定的。射流管阀中的最小尺寸在先导级射流管式液压放大器中的喷嘴处（见图3）。喷嘴挡板式伺服阀的最小尺寸在先导级喷嘴与挡板的间隙（见图4 ），约为0.03mm~0.05mm，污染颗粒往往很容易在此堵塞、卡死。

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而射流管阀的最小尺寸在喷嘴处为0.2mm~0.４mm，是喷嘴挡板阀的最小尺寸的５～１０倍，0.2mm 的颗粒很容易通过，所以说射流管式比喷嘴挡板式抗污染能力提高了一个数量级。

4.2 先导级的磨蚀

伺服阀的先导级在工作时会产生磨蚀，但射流管式与喷嘴挡板式比较，其磨蚀的产生与性能变化的程度低于喷嘴挡板阀。这是因为在射流管场合下，喷嘴端面与接受孔间的距离为喷嘴直径的1.5~2.5 倍，从特性上讲，此距离达到喷嘴直径的３.5 倍也完全可以使用。与此相反，在喷嘴挡板场合下，喷嘴挡板间的间隙在特性上的上限为直径的1/4，要想增大最小尺寸，只能做到1/4 的极限值上，因此容易产生磨蚀及特性变化。而且在双喷嘴挡板式的场合下，两个喷嘴及挡板左右侧所产生的磨蚀不一定对称，容易产生零位偏移。而射流管式的喷射流是由单喷嘴喷射的，且被接受孔分成两股，磨蚀的产生一般是对称的，产生的磨蚀量也比喷嘴挡板式少。再加上其接受器的尖边即使经高压油长期冲刷凹陷下去，但仍其着分水岭的作用，只要其与喷嘴的距离不大于喷嘴直径的3.5 倍，对伺服阀性能的影响非常小，故其稳定性、可靠性高于双喷嘴挡板阀。

4.3 力矩马达的结构

射流管式伺服阀的力矩马达零件全部采用压配及焊接结合成一体，并经严格的时效处理消除内应力，结构牢固稳定，零位漂移小，更能承受强冲击及振动。而双喷嘴挡板阀的力矩马达只靠4 个M3 的小螺钉固定，在螺钉应力疏散和受到强冲击、振动、颠振后，零位漂移大。另外，射流管式力矩马达的衔铁处有一对支撑簧片，衔铁偏转时只有转角，没有挠度，大大改善了弹簧管的受力，抗疲劳性能大大增强，保证了伺服阀的长寿命使用。

4.4 滑阀级尺寸

由于射流管式先导级比喷嘴挡板式的控制力大，所以射流管式伺服阀阀芯的直径和行程，比喷嘴挡板式的大而长。表１为同级别先导级时，其输出部分阀芯的直径、行程及驱动力比较。

表１阀芯尺寸比较表
射流管式喷嘴挡板式
阀芯直径ｍｍ６．９９３．９６
阀芯行程ｍｍ０．６４０．１３
驱动力ｋｇ（在端面压力４０ｋｇ／ｃｍ２时）１５．３５４．９２

从上表可以看出射流管阀的阀芯直径明显大于喷嘴挡板阀，而阀芯直径越大，其驱动力也越大，即使有一点杂物和污粒，滑阀级也能顺利工作，从而提高了可靠性。此外，阀芯行程的加长也能提高伺服阀的寿命。因为伺服阀工作时其高速流动的油液会磨蚀滑阀级工作窗口的棱边，从而引起流量特性的变化。在加长行程后，磨蚀量相对于行程量所占的比例减小，所以工作窗口流通面积的变化减小。这样，流量特性的变化与伺服阀使用时间的比值减小了，能比阀芯行程短的伺服阀维持更长时间的稳定性。

5 工作性能

5.1 分辨率

喷嘴挡板阀的先导级在工作时存在压力负反馈（即挡板靠向一测喷嘴，由于喷嘴的压力升高，会增大对挡板的推力，阻碍其靠近），影响其灵敏度及分辨率指标。射流管阀的先导级不存在压力负反馈，而且其射流管放大器的流量效益最高可达90%，压力效益亦可达到80%以上。所以射流管放大器推动阀芯的力比双喷嘴放大器高许多，射流管伺服阀的分辨率一般可达到小于0.1%的程度。

5.2 低压工作性能

根据前文所述，射流管阀的阀芯驱动力明显大于双喷嘴阀，故其低压工作性能亦优于双喷嘴挡板阀。通过试验可得：射流管伺服阀在供油压力为1MPa 条件下，其流量曲线的重复性也非常好；在供油压力为0.5MPa 的情况下，也能正常工作；在额定供油压力时，只输入±3%的额定电流其阀芯位移特性曲线的线性度和重复性都非常好。而所有这些都是双喷嘴挡板阀在同样条件下无法达到的。

另外，双喷嘴阀在许多场合需加颤振信号来提高分辨率，而射流管阀在绝大多数应用场合均不需要加颤振信号。

5.3 动态响应

一般认为射流管阀的动态响应比较低，其实有所误解。根据
MOOG 公司的观点：射流管式先导级具有很高的无阻尼自然频率，一般可达500Hz~700Hz 以上，只要有足够的先导放大级流量增益，射流管阀也可达到较高的动态响应。之所以一般射流管阀产品的增益较低，是因为在国外射流管阀往往应用于航空、航天等高端场合，其对内泄漏要求较高，喷嘴直径较小，造成频率特性比双喷嘴阀稍低一些。而在一般使用场合，只要适当增加喷嘴直径，就能大大提高射流管阀的动态响应。在国内额定流量在30L/min 左右的射流管伺服阀其频率响应亦能达到160Hz 以上。

6 结论

综上分析，射流管伺服阀在抗污染能力等可靠性特性方面高于喷嘴挡板阀，并且在灵敏度、分辨率、滞环、低压工作特性等性能指标亦优于喷嘴挡板阀，但喷嘴挡板阀亦有其优点，在国内实际使用也很多，并不能极端地说喷嘴挡板阀比射流管阀差很多。另外，射流管式伺服阀在国外属对中国限制的产品，国内对其的应用还相当少，了解还不多。目前只能通过国外的某些资料来了解射流管伺服阀实际应用中的可靠性情况。1965 年~1971 年月７年间美国民航公司曾对其使用的9000 个射流管伺服阀进行追踪调查，其平均故障率为115000 小时。

作为国内最大的射流管阀生产单位，七Ｏ四所虽然也有所生产的伺服阀在工业场合连续使用十余年的记录，但由于条件限制，还无法对其产品的使用情况作全面准确地统计。但总体来讲，射流管伺服阀的工作稳定性和耐久性是相当高的。相信随着射流管伺服阀的应用越来越广泛，其优点会被充分理解。

参考文献：
（1）雷天觉. 液压工程手册北京机械工业出版社
（2）（日）岛津健射流管式电液伺服阀的构造和性能
（日）油压技术1973 年第12 卷第4 号路太山译
（3）（日）河田康夫 Abex 电液伺服阀的特性
（日）油压技术1975 年第14 卷第2 号赵振厚译
（4）张继义 CSDY 射流管电液伺服阀机电设备 1995 年第2 期(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/4/2008)


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