电液伺服阀的发展过程、研究现状及趋势

作者：李其朋 丁凡

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... 摘要：本文对伺服阀产品的发展历史作了简单回顾，介绍了目前伺服阀产品的市场情况及研究现状，并对将来伺服阀的发展趋势作了扼要探讨。 关键词：电液伺服阀、研究现状、发展趋势 一 概述 电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，它是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点，已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。 二．发展过程 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Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。同样，Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。而德国Siemens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；MIT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年至1955年间，T.H.Carson发明了机械反馈式两级伺服阀；W.C.Moog发明了双喷嘴两级伺服阀；Wolpin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Askania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地竞争。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恢复通常可达到50%；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Moog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Moog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21MPa，有的甚至到35MPa，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，Moog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。Vickers公司研制了压力补偿的KG型比例阀。Rexroth、Bosch及其他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。 三 国内外的现状 1 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、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。 2 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。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。 四 发展趋势 当前，新型电液伺服阀技术的发展趋势主要体现在新型结构的设计、新型材料的采用及电子化、数字化技术与液压技术的结合等几方面。 1 新型结构的设计 在20世纪90年代，国外研制直动型电液伺服阀获得了较大的成就。现形成系列产品的有Moog公司的D633、D634系列的直动阀、伊顿威格士（EatonVickers）公司的LFDC5V型、德国Bosch公司的NC10型、日本三菱及KYB株式会社合作开发的MK型阀及Moog公司与俄罗期沃斯霍得工厂合作研制的直动阀等。该类型的伺服阀去掉了一般伺服阀的前置级，利用一个较大功率的力矩马达直接拖动阀芯，并由一个高精度的阀芯位移传感器作为反馈。该阀的最大特点是无前置级，提高了伺服阀的抗污染能力。同时由于去掉了许多难加工零件，降低了加工成本，可广泛使用于工业伺服控制的场合。国内有些单位如中国运载火箭技术研究院第十八研究所、北京机床研究所、浙江工业大学等单位也研制出了相关产品的样机。特别是北京航空航天大学研制出转阀式直动型电液伺服阀。该伺服阀通过将普通伺服阀的滑阀滑动结构转变为滑阀的转动，并在阀芯与阀套上相应开了几个与轴向有一定倾角的斜槽。阀芯阀套相互转动时，斜槽相互开通或相互封闭，从而控制输出压力或流量。由于在工作时阀芯阀套是相互转动的，降低了阀工作时的摩擦阻力，同时污染物不容易在转动的滑阀内堆积，提高了抗污染性能。此外，Park公司开发了“音圈驱动(Voice Coil Drive)”技术（VCD），以及以此技术为基础开发的DFplus控制阀。所谓音圈驱动技术，顾名思义，即是类似于扬声器的一种驱动装置，其基本结构就是套在固定的圆柱形永久磁铁上的移动线圈，当信号电流输入线圈时，在电磁效应的作用下，线圈中产生与信号电流相对应的轴向作用力，并驱动与线圈直接相连的阀芯运动，驱动力很大。线圈上内置了位移反馈传感器，因此，采用VCD驱动的DFplus阀本质上是以闭环方式进行控制的，线性度相当好。此外，由于VCD驱动器的运动零件只是移动线圈，惯量极小，相对运动的零件之间也没有任何支承，DFplus阀的全部支承就是阀芯和阀体间的配合面，大大减小了摩擦这一非线性因素对控制品质的影响。综合上述的技术特点，配合内置的数字控制模块，使DFplus阀的控制性能佳，尤其在频率响应方面更是优越，可达400Hz。从发展趋势来看，新型直动型电液伺服阀在某些行业有替代传统伺服阀特别是喷嘴挡板式伺服阀的趋向，但它的最大问题在于体积大、重量重，只适用于对场地要求较低的工业伺服控制场合。如能减轻其重量、减小其体积，在航空、航天等军工行业亦具有极大的发展潜力。 另外，近年来伺服阀新型的驱动方式除了力矩马达直接驱动外，还出现了采用步进电机、伺服电机、新型电磁铁等驱动结构以及光-液直接转换结构的伺服阀。这些新技术的应用不仅提高了伺服阀的性能，而且为伺服阀发展开拓了思路，为电液伺服阀技术注入了新的活力。 2 新型材料的采用 当前在电液伺服阀研制领域的新型材料运用，主要是以压电元件、超磁致伸缩材料及形状记忆合金等为基础的转换器研制开发。它们各具有其自己的优良特性。 2.1 压电元件 压电元件的特点是“压电效应”：在一定的电场作用下会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，形变与电场强度成正比。压电元件的主要材料为压电陶瓷（PZT）、电致伸缩材料（PMN）等。比较典型的压电陶瓷材料有日本TOKIN公司的叠堆型压电伸缩陶瓷等。PZT直动式伺服阀的原理是：在阀芯两端通过钢球分别与两块多层压电元件相连。通过压电效应，使压电材料产生伸缩驱动阀芯移动。实现电-机械转换。PMN喷嘴挡板式伺服阀则在喷嘴处设置一与压电叠堆固定连接的挡板，由压电叠堆的伸、缩实现挡板与喷嘴间的间隙增减，使阀芯两端产生压差推动阀芯移动。目前压电式电-机械转换器的研制比较成熟并已得到较广泛的应用。它具有频率响应快的特点，伺服阀频宽甚至能达到上千赫兹，但亦有滞环大、易漂移等缺点，制约了压电元件在电液伺服阀上的进一步应用。 2.2 超磁致伸缩材料 超磁致伸缩材料（GMM）与传统的磁致伸缩材料相比，在磁场的作用下能产生大得多的长度或体积变化。利用GMM转换器研制的直动型伺服阀是把GMM转换器与阀芯相连，通过控制驱动线圈的电流，驱动GMM的伸缩，带动阀芯产生位移从而控制伺服阀输出流量。该阀与传统伺服阀相比不仅有频率响应高的特点，而且具有精度高、结构紧凑的优点。目前，在GMM的研制及应用方面，美国、瑞典和日本等国处于领先水平。国内浙江大学利用GMM技术对气动喷嘴挡板阀和内燃机燃料喷射系统的高速强力电磁阀，进行了结构设计和特性研究。从目前情况来看GMM材料与压电材料和传统磁致伸缩材料相比，具有应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大等特点。世界各国对GMM电-机械转换器及相关的技术研究相当重视，GMM技术水平快速发展，已由实验室研制阶段逐步进入市场开发阶段。今后还需解决GMM的热变形、磁晶各向异性、材料腐蚀性及制造工艺、参数匹配等方面的问题，以利于在高科技领域得到广泛运用。 2.3 形状记忆合金 形状记忆合金（SMA）的特点是具有形状记忆效应。将其在高温下定型后，冷却到低温状态，对其施加外力。一般金属在超过其弹性变形后会发生永久变形，而SMA却在将其加热到某一温度之上后，会恢复其原来高温下的形状。利用其特性研制的伺服阀是在阀芯两端加一组由形状记忆合金绕制的SMA执行器，通过加热和冷却的方法来驱动SMA执行器，使阀芯两端的形状记忆合金伸长或收缩，驱动阀芯作用移动，同时加入位置反馈来提高伺服阀的控制性能。从该阀的情况来看，SMA虽变形量大，但其响应速度较慢，且变形不连续，也限制了其应用范围。 与传统伺服阀相比，采用新型材料的电-机械转换器研制的伺服阀，普遍具有高频响、高精度、结构紧凑的优点。虽然目前还各自呈在某些关键技术需要解决，但新型功能材料的应用和发展，给电液伺服阀的技术发展发展提供了新的途径。 3 电子化、数字化技术的运用 目前电子化、数字化技术在电液伺服阀技术上的运用主要有两种方式：其一，在电液伺服阀模拟控制元器件上加入D/A转换装置来实现其数字控制。随着微电子技术的发展，可把控制元器件安装在阀体内部，通过计算机程序来控制阀的性能，实现数字化补偿等功能。但存在模拟电路容易产生零漂、温漂，需加D/A转换接口等问题。其二，为直动式数字控制阀。通过用步进电机驱动阀芯，将输入信号转化成电机的步进信号来控制伺服阀的流量输出。该阀具有结构紧凑、速度及位置开环可控及可直接数字控制等优点，被广泛使用。但在实时性控制要求较高的场合，如按常规的步进方法，无法兼顾量化精度及响应速度的要求。浙江工业大学采用了连续跟踪控制的办法，消除了两者之间的矛盾，获得了良好的动态特性。此外还有通过直流力矩电机直接驱动阀芯来实现数字控制等多种控制方式或伺服阀结构改变等方法来形成众多的数字化伺服阀产品。 随着各项技术水平的发展，通过采用新型的传感器和计算机技术研制出机械、电子、传感器及计算机自我管理（故障诊断、故障排除）为一体的智能化新型伺服阀。该类伺服阀可按照系统的需要来确定控制目标：速度、位置、加速度、力或压力。同一台伺服阀可以根据控制要求设置成流量控制伺服阀、压力控制伺服阀或流量/ 压力复合控制伺服阀。并且伺服阀的控制参数，如流量增益、流量增益特性、零点等都可以根据控制性能最优化原则进行设置。伺服阀自身的诊断信息、关键控制参数（包括工作环境参数和伺服阀内部参数）可以及时反馈给主控制器；可以远距离对伺服阀进行监控、诊断和遥控。在主机调试期间，可以通过总线端口下载或直接由上位机设置伺服阀的控制参数，使伺服阀与控制系统达到最佳匹配，优化控制性能。而伺服阀控制参数的下载和更新，甚至在主机运转时也能进行。而在伺服阀与控制系统相匹配的技术应用发展中，嵌入式技术对于伺服阀已经成为现实。按照嵌入式系统应定义为：“嵌入到对像体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。它是在传统的伺服阀中嵌入专用的微处理芯片和相应的控制系统，针对客户的具体应用要求而构建成具有最优控制参数的伺服阀并由阀自身的控制系统完成相应的控制任务（如各控制轴同步控制），再嵌入到整个的大控制系统中去。从目前的技术发展和控制系统对伺服阀的要求看，伺服阀的自诊断和自检测功能应该有更大的发展。 4 结束语 当前的液压伺服控制技术已经能将自动控制技术、液压技术与微电子有机的结合起来，形成新一代的伺服阀产品。而随着电子设备、控制策略、软件及材料等方面的发展与进步，电液控制技术及伺服阀产品将在机、电、液一体化获得长足的进步。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/5/2009)