電液伺服閥的發(fā)展過(guò)程及研究現(xiàn)狀分析|最新資料

一 概述

電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，它是一種接受模擬電信號(hào)后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)中。

二 發(fā)展過(guò)程

液壓控制技術(shù)的歷史最早可追溯到公元前240年，當(dāng)時(shí)一位古埃及人發(fā)明了人類歷史上第一個(gè)液壓伺服系統(tǒng)——水鐘。然而在隨后漫長(zhǎng)的歷史階段，液壓控制技術(shù)一直裹足不前，直到18世紀(jì)末19世紀(jì)初，才有一些重大進(jìn)展。在二戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，液壓控制技術(shù)出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，許多早期的控制閥原理及專利均是這一時(shí)代的產(chǎn)物。如：Askania調(diào)節(jié)器公司及Askania-Werke發(fā)明及申請(qǐng)了射流管閥原理的專利。同樣，F(xiàn)oxboro發(fā)明了噴嘴擋板閥原理的專利。而德國(guó)Siemens公司發(fā)明了一種具有永磁馬達(dá)及接收機(jī)械及電信號(hào)兩種輸入的雙輸入閥，并開(kāi)創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。

在二戰(zhàn)末期，伺服閥是用螺線管直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的單級(jí)開(kāi)環(huán)控制閥。然隨著控制理論的成熟及軍事應(yīng)用的需要，伺服閥的研制和發(fā)展取得了巨大成就。1946年，英國(guó)Tinsiey獲得了兩級(jí)閥的專利；Raytheon和Bell航空發(fā)明了帶反饋的兩級(jí)閥；MIT用力矩馬達(dá)替代了螺線管使馬達(dá)消耗的功率更小而線性度更好。1950年，W.C.Moog第一個(gè)發(fā)明了單噴嘴兩級(jí)伺服閥。1953年至1955年間，T.H.Carson發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級(jí)伺服閥；W.C.Moog發(fā)明了雙噴嘴兩級(jí)伺服閥；Wolpin發(fā)明了干式力矩馬達(dá)，消除了原來(lái)浸在油液內(nèi)的力矩馬達(dá)由油液污染帶來(lái)的可靠性問(wèn)題。1957年R.Atchley利用Askania射流管原理研制了兩級(jí)射流管伺服閥。并于1959年研制了三級(jí)電反饋伺服閥。

1959年2月國(guó)外某液壓與氣動(dòng)雜志對(duì)當(dāng)時(shí)的伺服閥情況作了12頁(yè)的報(bào)道，顯示了當(dāng)時(shí)伺服閥蓬勃發(fā)展的狀況。那時(shí)生產(chǎn)各種類型的伺服閥的制造商有20多家。各生產(chǎn)廠家為了爭(zhēng)奪伺服閥生產(chǎn)的霸權(quán)地位展開(kāi)了激烈地競(jìng)爭(zhēng)?；仡櫄v史，可以看到最終取勝的幾個(gè)廠家，大多數(shù)生產(chǎn)具有反饋及力矩馬達(dá)的兩級(jí)伺服閥。我們可以看到，1960年的伺服閥已具有現(xiàn)代伺服閥的許多特點(diǎn)。如：第二級(jí)對(duì)第一級(jí)反饋形成閉環(huán)控制；采用干式力矩馬達(dá)；前置級(jí)對(duì)功率級(jí)的壓力恢復(fù)通常可達(dá)到50%；第一級(jí)的機(jī)械對(duì)稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對(duì)零位的影響。同時(shí)，由早期的直動(dòng)型開(kāi)環(huán)控制閥發(fā)展變化而來(lái)的直動(dòng)型兩級(jí)閉環(huán)控制伺服閥也已出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)的伺服閥主要用于軍事領(lǐng)域，隨著太空時(shí)代的到來(lái)，伺服閥又被廣泛用于航天領(lǐng)域，并研制出高可靠性的多余度伺服閥等尖端產(chǎn)品。

與此同時(shí)，隨著伺服閥工業(yè)運(yùn)用場(chǎng)合的不斷擴(kuò)大，某些生產(chǎn)廠家研制出了專門使用于工業(yè)場(chǎng)合的工業(yè)伺服閥。如Moog公司就在1963年推出了第一款專為工業(yè)場(chǎng)合使用的73系列伺服閥產(chǎn)品。隨后，越來(lái)越多的專為工業(yè)用途研制的伺服閥出現(xiàn)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(shí)亦可采用鋼材）；獨(dú)立的第一級(jí)以方便調(diào)整及維修；主要使用在14MPa以下的低壓場(chǎng)合；盡量形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。然而Moog公司在德國(guó)的分公司卻將其伺服閥的應(yīng)用場(chǎng)合主要集中在高壓場(chǎng)合，一般工作壓力在21MPa，有的甚至到35MPa，這就使閥的設(shè)計(jì)專重于高壓下的使用可靠性。而隨著伺服閥在工業(yè)場(chǎng)合的廣泛運(yùn)用，各公司均推出了各自的適合工業(yè)場(chǎng)合用的比例閥。其特點(diǎn)為低成本，控制精度雖比不上伺服閥，但通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)和先進(jìn)的電子裝置以彌補(bǔ)其不足，使其性能和功效逼近伺服閥。1973年，Moog公司按工業(yè)使用的需要，把某些伺服閥轉(zhuǎn)換成工業(yè)場(chǎng)合的比例閥標(biāo)準(zhǔn)接口。Bosch研制出了其標(biāo)志性的射流管先導(dǎo)級(jí)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(jí)電反饋伺服閥。Vickers公司研制了壓力補(bǔ)償?shù)腒G型比例閥。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用兩個(gè)線圈分別控制閥芯兩方向運(yùn)動(dòng)的比例閥等等。

三 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀

1市場(chǎng)情況

目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)伺服閥的廠家主要有：航空工業(yè)總公司第六O九研究所、航空工業(yè)總公司第六一八研究所、航空工業(yè)總公司秦峰機(jī)床廠、北京機(jī)床研究所、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、上海航天控制工程研究所及中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七O四研究所。國(guó)外生產(chǎn)伺服閥的廠家主要有：美國(guó)Moog公司、英國(guó)Dowty公司、美國(guó)Team公司、俄羅斯的“祖國(guó)”設(shè)計(jì)局、沃斯霍得工廠等，此外美國(guó)Park公司、EatonVickers公司、德國(guó)Bosch公司、Rexroth公司等亦有自己的伺服閥產(chǎn)品。

電液伺服閥一般按力矩馬達(dá)型式分為動(dòng)圈式和永磁式兩種。傳統(tǒng)的伺服閥大部分采用永磁式力矩馬達(dá)，此類伺服閥還可分為噴嘴擋板式和射流式兩大類。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)伺服閥的廠家大部分以噴嘴擋板式為主。生產(chǎn)射流管式伺服閥形成規(guī)模及系列的只有中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七O四研究所。國(guó)外情況亦類似，原專業(yè)生產(chǎn)射流管式伺服閥的廠家美國(guó)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(diǎn)。有些生產(chǎn)廠家也在研制或已推出自己的射流管式產(chǎn)品，如航空工業(yè)總公司第六O九研究所、中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、美國(guó)Moog公司及俄羅斯的有關(guān)廠家等。美國(guó)Moog公司還在2006年7月召開(kāi)了產(chǎn)品推廣會(huì)，推出了射流管式的D660系列產(chǎn)品，并認(rèn)為該產(chǎn)品代表了今后伺服閥的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)在研究、生產(chǎn)及使用伺服閥方面雖然形成了一定的規(guī)模。然而生產(chǎn)的產(chǎn)品主要用于航空、航天、艦船等軍品領(lǐng)域，在民品市場(chǎng)占有率不大。同時(shí)，由于各生產(chǎn)單位各自為戰(zhàn)、缺少合作、力量分散，很不利于伺服閥的進(jìn)一步發(fā)展，也無(wú)法形成強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力與國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)?，F(xiàn)國(guó)外產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率最大的為Moog公司，它的產(chǎn)品占據(jù)了國(guó)內(nèi)絕大部分的民品市場(chǎng)。

2研究現(xiàn)狀

當(dāng)前電液伺服閥的研究主要集中在結(jié)構(gòu)及加工工藝的改進(jìn)、材料的更替及測(cè)試方法的改變。

1）在結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，目前主要是利用冗余技術(shù)對(duì)伺服閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由于伺服閥是伺服系統(tǒng)的核心元件，伺服閥性能的優(yōu)劣直接代表著伺服系統(tǒng)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(tǒng)中最重要的一環(huán)。由于伺服閥被污染是導(dǎo)致伺服閥失效的最主要原因。對(duì)此，國(guó)外的許多廠家對(duì)伺服閥結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，先后發(fā)展出了抗污染性較好的射流管式、偏導(dǎo)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(shè)計(jì)了雙冗余位置傳感器，用來(lái)檢測(cè)閥芯位置。一旦出現(xiàn)故障信號(hào)可立即切換備用伺服閥，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，此種兩余度技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航空行業(yè)。而且，美國(guó)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(jī)構(gòu)用于航天行業(yè)。我國(guó)的航天系統(tǒng)有關(guān)單位早在90年代就已進(jìn)行三余度等多余度伺服機(jī)構(gòu)的研制，將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套，發(fā)生故障可隨時(shí)切換，保證系統(tǒng)的正常工作。此外多線圈結(jié)構(gòu)、或在結(jié)構(gòu)上帶零位保護(hù)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(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2）在加工工藝的改進(jìn)方面，采用新型的加工設(shè)備和工藝來(lái)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(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)均研制出了智能化、全自動(dòng)的配磨系統(tǒng)。特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的配磨系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的氣動(dòng)配磨的模式，采用液壓油作為測(cè)量介質(zhì)，更直接地反應(yīng)了所測(cè)滑閥副的實(shí)際情況，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度。在力矩馬達(dá)的焊接方面，中船重工第704研究所與德國(guó)知名廠家合作，采用了世界最先進(jìn)的焊接工藝取得了良好的效果。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還研制出智能化的伺服閥力矩馬達(dá)彈性元件測(cè)量裝置。解決了原有手動(dòng)測(cè)量法中存在的測(cè)量精度低、操作復(fù)雜、效率低等問(wèn)題。對(duì)彈性元件能高效完成剛度測(cè)量、得到完整的測(cè)量曲線，且不重復(fù)性測(cè)量誤差不大于1%。

3）在材料的更替上方面。除了對(duì)某些零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更優(yōu)越的材料外。還對(duì)特別用途的伺服閥采用了特殊的材料。如德國(guó)有關(guān)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(dòng)靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。機(jī)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(chǎn)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(zhì)的耐腐蝕伺服閥。此外對(duì)密封圈的材料也進(jìn)行了更替，使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。

4）在測(cè)試方法改進(jìn)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，生產(chǎn)單位均采用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)伺服閥的靜、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算。某些單位還對(duì)如何提高測(cè)量精度，降低測(cè)量?jī)x器本身的振動(dòng)、熱噪聲和外界的高頻干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，作了深入的研究。如采用測(cè)頻/測(cè)周法、尋優(yōu)信號(hào)測(cè)試法、小波消噪法、正弦輸入法及數(shù)字濾波等新技術(shù)對(duì)伺服閥測(cè)試設(shè)備及方法進(jìn)行了研制和改進(jìn)。