电液伺服阀的发展趋势与现状

电液伺服阀与比电液例阀的研究现状与发展趋势王迪学号：1101100328（广西大学机械工程学院530004）摘要：电液比例阀是电液比例控制技术的核心元件,它按照输入电信号指令,连续成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。电液伺服阀是电液伺服控制系统中的关键元件。二者均在电液比例系统以及电液伺服系统中起到重要作用。本文中以电液比例换向阀和电液伺服阀为例详细介绍了其工作原理，并从性能、方展、前景等方面分别对两类阀进行了阐述，使我们对其有了更深刻的认识。关键词：电液比例阀；电液比例换向阀；电液伺服阀；现状；趋势1引言液压工业己成为全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼汾公司（PARKERHANNIFIN）、德国的力士乐（REXROTH）和博世公司（BOSCH）等居世界领先地位，我国液压工业距国外还有一定的差距。现代液控技术始于第一次世界大战后。今天，机电一体化的进程对液控技术提出了更多的需求，而计算机技术和控制理论的发展则为液压技术注入了新的动力。电液比例阀与电液伺服阀作为液压系统中的重要控制元件，分别代表了电液比例技术与电液伺服技术的发展情况。电液伺服阀与电液比例阀的出现使液压系统与现代化的电子技术结合的更加紧。电液比例阀,是电液比例控制技术的核心和主要功率放大元件,代表了流体控制技术的发展方向[1]。它以传统的工业用液压控制阀为基础,采用电-机械转换装置,将电信号转换为位移信号,按输入电信号指令连续、成比例地控制液压系统的压力、流量或方向等参数。电液伺服阀不仅能够实现微小电气信号向大功率液压信号(流量与压力)的转换,还可以根据输入电信号的大小,成比例地输出相应的流量和压力。因此,在电液伺服系统中,电液伺服阀将电气部分与液压部分连接起来,实现整个系统的控制策略和执行元件的动作。所以,电液伺服阀的性能,特别是其电液伺服阀的动特性和稳定性,直接影响到整个液压系统乃至机械设备的可靠性和寿命。电液伺服阀的发展史就是一部力图获得速度更快、精度更高、稳定性更好的创新史[2]。2发展历史2.1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。2.2电液比例阀发展历史1967年瑞士布林格尔(Beringer)公司生产出KL用于船体表面除锈涂漆工艺的比例方向节流阀,这是世界上最早的比例阀[3]。1971年和1972年日本油研(Yuken)公司相续申请了比例压力阀和比例流量阀的专利,引起了许多国家及公司的广泛重视,推动了比例阀技术的发展[4]。这期间出现的比例压力阀(溢流阀和减压阀)基本是以传统手调液压阀为基础发展而来,区别仅是用比例电磁阀铁取代了阀上原有的弹簧手调机构,阀的结构原理和设计准则几乎没有变化。小流量阀采用直接作用式结构,大流量阀仍采用1936年美国人维克斯(HarryVickers)发明的“差动式压力控制原理”[5、6]。因为不包含受控参数的反馈环节,导致控制压力随着负载流量的不同而改变,这是此类比例阀的主要不足,而且由于比例电磁铁性能较差,这类比例阀的工作频宽低(仅1～5Hz),稳态磁环大(4%～7%),体积也大,多用在开环系统[7]。20世纪80年代初,浙江大学路甬祥提出了压力直接检测原理,他应用该原理设计的比例溢流阀获得了德国发明专利[8]。按此原理,国内外研制的比例溢流阀和比例减压阀的性能都获得了显著提高,实现了人们长期以来所追求的等压力特性[9]。从20世纪80年代后期开始,比例压力控制技术的又一进展是采用电气闭环校正,出现了被控压力―压力传感器检测的新一代比例压力阀。采用这种原理可将电-机械转换器的非线性和先导阀的非线性扰动都包含在闭环之内,因而可实现无静差控制,同时利用电气校正也可以很方便地改善阀的稳定性和快速性。3研究现状3.1电液伺服阀研究工作综述通过前述可以看出,电液伺服阀已经不可能出现原理的改变,要知道本身它的发展史就没有多少重要的变化。但是,我们可以就某些特定方面进行技术革新。当前电液伺服阀的研究主要集中在结构的改进、材料的使用及测试方法的改变[9]。（1）结构方面。在结构改进方面,针对伺服阀常见故障进行分析,提出改进方案,采用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)手段,进行结构优化,以满足阀的性能要求。如:直驱式伺服阀的产生、压电陶瓷式伺服阀的出现。此外,还有利用三余度技术对伺服阀的机构进行改造,将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套。若某个关键元件发生故障,可随时切换另外备用套,从而保证阀的正常工作,提高了系统的可靠性和使用寿命。（2）材料方面。在材料替换方面,可以针对电液伺服阀的性能要求,对特定的零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料。对密封圈的材料进行更替,可以使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。用红宝石材料制作喷嘴档板,可以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。此外,永磁式力矩马达中电磁铁的材料采用超磁致伸缩材料,可以提高电液伺服阀的动态响应特性。（3）测试方面。在对电液伺服阀的动静态特性进行测试时,测量仪器本身的影响、外界电磁信号的干扰等都会对测试结果造成影响,严重时不能正确反映伺服阀的性能。此外,尽可能地提高测量仪器的测量精度,可以更准确地反映伺服阀产品本身的特性,有助于保证整个液压系统的稳定性、快速性及经济性。因此,很多个人及单位对测试仪器、测试技术等做了深入的研究。3.2电液比例阀研究工作综述电液比例阀：根据用途和工作特点的不同,比例阀可以分为比例压力阀(如比例溢流阀、比例减压阀)、比例流量阀(如比例节流阀、比例调速阀)和比例方向阀(电液比例换向阀)三类。电液比例换向阀不仅能控制方向,还有控制流量的功能。下面总体介绍电液伺服阀研究现状。电液比例控制技术是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍应用还不到50年，然而凭借着它的优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支，并成为现代液压控制工程的基本技术构成之一。电液比例阀是阀内比例电磁铁根据输入的电压信号产生相应动作，使工作阀阀芯产生位移，阀口尺寸发生改变并以此完成与输入电压成比例的压力、流量输出的元件。阀芯位移也可以以机械、液压或电的形式进行反馈。对应于普通的液压阀都能够找到一种与之对应的电液比例阀。电液比例阀可以用于开环系统中实现随液压参数的遥控，也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。电液比例技术虽然起步比电液伺服技术晚，但是近年来发展却比较迅速，而且在液压系统中的应用也是越来越广泛。4电液伺服阀和电液比例阀发展趋势4.1电液伺服阀发展趋势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）标准化日前，国内在研究、生产和使用电液伺服阀方而虽然己初具规模，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己成当务之急。（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（CAT）、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（FieldBuses），实现高水平的信急系统，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展，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，实现元件小型化。（6）绿色化减少能耗，泄漏控制，污染控制。将发展降低内耗和节流损失技术以及无泄漏元件。如实现无管连接，研制新型密封等；发展耐污染技术和新的污染检测方法，对污染进行在线测量；可采用生物降解迅速的压力液体，如菜油基和合成脂基的传动用介质将得到广泛应用，减少漏油对环境危害，适应环境保护（降低噪声和振动、无泄漏）。4.2电液比例阀发展趋势传统电液比例阀是以比例电磁铁作为驱动装置的电-液信号转换元件,虽然其结构坚固,抗污染能力较强,价格较为低廉。但存在着运动部件体积惯量大(两端对置),支撑部位多,摩擦力大、线性度差等固有弊病。同时,由于比例电磁铁固有特性的限制,导致电液比例阀无论在响应时间还是在响应速度上都不是很快,响应速度稍高的但流量又太小,滞环大、死区大,而且给系统的控制算法带来困难。以力矩马达为驱动装置的电液伺服阀虽然控制品质较好、频响高、滞环小、死区亦小、且线性度好,但伺服阀对油液的污染十分敏感,系统的过滤成本高,且其加工难度大,价格昂贵,限制了伺服阀的应用。可以看出,目前,无论是电液伺服阀还是电液比例阀,都无法同时满足液压控制系统高速、高精度、大流量、低成本、抗污染等要求。为此,必须开发一种全新的液压阀技术,能够综合这两类阀的长处,克服它们的短处,这就是超速电液比例阀。超高速电液比例阀能实现液压控制系统液流方向和流量的控制功能,满足系统高速、高精度、大流量、低成本、抗污染的综合要求。超高速电液比例阀是采用动圈式电-机械转换器作为驱动装置的电-液信号转换元件,控制性能很好,某些性能指标达到甚至超过了电液伺服阀,尤其是在频率响应方面更优越,可达300Hz以上。另一方面,与传统伺服阀不同,其中不存在喷嘴一类的细小节流口,故抗污染能力强,无需高成本的过滤措施,工作可靠性高。提高电液比例阀的性能指标如频响、线性度和负载能力等,有助于提高电液比例控制系统的整体特性,这也是电液比例阀技术的发展趋势[10]。提高控制精度和控制速度一直以来是各行各业的敏感话题,在许多机械行业中,特别是需要高精控制场合中,拥有较大的市场前景。随着我国建设规模的不断扩大和经济的不断发展,需求量会不增加。目前,超高速电液比例阀技术在国外一些著名注塑机公司得到了应用。而国内一般均采低速比例阀控制,效率低,精度差。因此超高速电液比例阀的研究,成为各厂家在日益激烈的市场竞争中是否能够保持优势的关键。研制性能优良、结构简单、工作可靠、成本低廉、能同时为生产厂家和用户欢迎的超高速电液比例阀,对推动整个液压技术领域的向前发展具有重要的理论意义和实用价值。5结论电液比例技术虽然起步比较晚，但是由于近年来耐高压电磁铁和比例放大器技术的成熟，使得电液比例元件的工作性能更大的得到了提高。电液伺服技术的发展也在原有高精度、高性能的基础上朝着标准化、虚拟化、智能化、数字化、微型化以及绿色化等更高的方向发展。相信，随着电子技术、液压技术的不断发展，它们