第七章 电液伺服阀

1流体传动与伺服控制—电液伺服阀机电所：李小虎[e-mail]27.电液伺服阀本章主要教学内容7.1电液伺服阀的发展历史和作用7.2电液伺服阀的组成和工作原理7.3电液伺服阀的分类7.4电液伺服阀的特性及主要的性能指标7.5电液伺服阀的研究现状和发展趋势7.6力反馈两级电液伺服阀3目的任务:1、了解电液伺服阀的组成及工作原理2、了解电液伺服阀的工作特点3、了解电液伺服阀的分类重点难点:电液伺服阀的组成及工作原理7.电液伺服阀4电磁换向阀与电液伺服阀之区别5电液伺服阀是液压伺服系统中的重要元件，它是一种通过改变输入信号，连续的、成比例的控制流量、压力的液压控制阀。根据输入信号的方式不同，又分为电液伺服阀和机液伺服阀两大类。7.电液伺服阀67.1电液伺服阀的发展历史和作用1、电液伺服阀的发展历史在二战前夕，阿斯卡尼亚控制器公司及Askania-Werke根据射流原理发明了射流管阀并申请了专利。福克斯波罗申请了双喷嘴挡板阀的专利。德国西门子公司发明了永磁式力矩马达，它可以接受通过弹簧输入的机械信号和移动线圈产生的电信号，并开创性地使用在航空领域。77.1电液伺服阀的发展历史和作用1、电液伺服阀的发展历史20世纪40年代英国的廷斯利发明了两级液压阀;麻省理工学院采用线性度更好、更节能的力矩马达代替螺线管作为滑阀的驱动装置。20世纪50年代穆格发明了采用喷嘴节流孔作前置级的两级伺服阀。卡森发明了机械反馈式两级伺服阀;阿奇利发明了射流管阀作为前置级的两级电液伺服阀和三级电信号反馈伺服阀。20世纪60年代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。87.1电液伺服阀的发展历史和作用1、电液伺服阀的发展历史20世纪70年代以后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。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。97.1电液伺服阀的发展历史和作用107.1电液伺服阀的发展历史和作用冶金行业117.1电液伺服阀的发展历史和作用模具行业127.1电液伺服阀的发展历史和作用试验机137.1电液伺服阀的发展历史和作用航空行业147.1电液伺服阀的发展历史和作用试验台157.1电液伺服阀的发展历史和作用近年来，随着液压技术、计算机控制技术、高功率密度的稀土永磁材料和电力电子技术的发展,出现了一种新型的电液控制系统,它包括电动机、液压泵、油箱、液压阀组、执行器、传感器等元件。－直驱式电液控制系统。16美国：功率电传(Power-By-Wire，简称PBW)的机载作动系统计划；1996～1998年：F-18、C130、C141等飞机上对电动静液作动器（EHA）进行了大量的试验；此外，MOOG公司、USAFR(美国空军研究所)、Boeing、Parker公司也开展了类似的研究工作。7.1电液伺服阀的发展历史和作用17NASAPhotoF-35AA3807.1电液伺服阀的发展历史和作用2、电液伺服阀的作用及特点电液伺服阀是将输入的微小模拟电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出，实现电液信号的转换与放大。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。7.1电液伺服阀的发展历史和作用191、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理201、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理阀体为了使阀芯凸肩与油口精确匹配，在阀体内应安装阀套。211、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理在主阀体内，还应安装用于过滤控制油液的过滤器。阀体端盖用于通过从过滤器至比例阀先导级的控制油液。221、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理先导级含有两个喷嘴23挡板一方面与力矩马达衔铁连接，另一方面，其穿过两个喷嘴，与主阀芯连接。1、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理24在力矩马达中，安装有环绕在衔铁四周的永久磁铁磁轭。1、电液伺服阀的结构7.2电液伺服阀的组成和工作原理25当伺服阀失电时，挡板位于两个喷嘴中间，所以主阀两个控制腔中的压力是相等的，即主阀芯也是位于中位。2、电液伺服阀的工作原理7.2电液伺服阀的组成和工作原理26在力矩马达线圈中通入电流会激磁衔铁，并引起其倾斜。衔铁倾斜方向由电压极性来确定，倾斜程度则取决于电流大小。2、电液伺服阀的工作原理7.2电液伺服阀的组成和工作原理27衔铁倾斜会使挡板更加靠近一个喷嘴，而远离另一个喷嘴。2、电液伺服阀的工作原理7.2电液伺服阀的组成和工作原理28这样会使主阀两端控制腔中的压力产生压差。2、电液伺服阀的工作原理7.2电液伺服阀的组成和工作原理29随着主阀芯移动，当两控制腔中的压力相等时，挡板又处于两喷嘴中间，这时主阀芯停止移动。2、电液伺服阀的工作原理7.2电液伺服阀的组成和工作原理3、电液伺服阀的组成（1）电—力转换部分：通常为力马达或力矩马达；（2）力—位移转换部分：通常为扭簧、弹簧管或弹簧；（3）液压放大器：通常前置级为滑阀式、射流管式或喷嘴挡板式液压放大器，而功率放大级均为滑阀式液压放大器。7.2电液伺服阀的组成和工作原理3、电液伺服阀的组成7.2电液伺服阀的组成和工作原理4、力矩马达7.2电液伺服阀的组成和工作原理力矩马达的作用是将电信号转换为机械运动，是电气-机械转换器。电气-机械转换器是利用电磁原理工作的，它由永磁铁或激励线圈产生极化磁场，电气控制信号通过控制线圈产生控制磁场，两个磁场之间相互产生与控制信号成比例并能反应控制信号极性的力或力矩，从而使其运动部产生直线位移或角位移的机械运动。4、力矩马达7.2电液伺服阀的组成和工作原理一、力矩马达的分类根据可动件运动：直线位移式和角位移式（力马达、力矩马达）。按可动件结构：动铁式和动圈式（可动件是衔铁、控制线圈）。按极化磁场：非激磁式、固定电流激磁和永磁式三种。二、力矩马达的要求能够产生足够的输出力和行程，体积小、重量轻。动态性能好、响应速度快。直线性好、死区小、灵敏度高和磁滞小。在某些情况下，要求抗振、抗冲击、不受环境温度和压力等影响。4、力矩马达7.2电液伺服阀的组成和工作原理组成：永久磁铁、上导磁体、下导磁体、衔铁、控制线圈、弹簧管等组成。原理：衔铁固定在弹簧管上端，由弹簧管支承在上、下导磁体的中间位置，可绕弹簧管（扭轴）的转动中心作微小的转动。衔铁两端与上、下导磁体(磁极)形成四个工作气隙①、②、③、④。两个控制线圈套在衔铁之上。上、下导磁体除作为磁极外，还为永久磁铁产生的极化磁通和控制线圈产生的控制磁通提供磁路。4、力矩马达7.2电液伺服阀的组成和工作原理原理：左右永久磁铁使上下导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场。没有输入信号时，衔铁与上下导磁体之间的四个工作气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相互抵消而使衔铁处于中间平衡状态。当输入电流时，产生相应的控制磁场，它在上下气隙中的方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直到力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡。但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移（通常小于0.2mm）。1）按液压放大级数，可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀，其中两级伺服阀应用较广。单级伺服阀：输出力矩或力较小，定位刚度低，输出流量有限，对负载动态变化敏感，易产生不稳定状态，使用于低压小流量。两级伺服阀：应用最广。三级伺服阀：两级伺服阀作前置级、第三级功率级滑阀，功率级滑阀位移通过电气形成闭环控制，实现滑阀阀芯的定位，适用大流量场合。7.3电液伺服阀的分类2）按第一级液压放大器的结构分：滑阀放大器：流量增益和压力增益高，输出流量大，对油液清洁度要求低。结构工艺复杂，阀芯受力大，分辨率低，滞环大，响应慢。单喷嘴挡板阀：特性不好，很少用双喷嘴挡板阀：动态响应快，结构对称，压力灵敏度高，特性线性好，温度和压力零漂小，档板受力小，输出功率小。间隙小，易堵塞，抗污染能力差，对油液清洁度要求高。射流管及射流元件：最大优点：抗污染能力强，最小通流尺寸大，不易堵塞，压力效率和容积效率高，可产生较大的控制压力和流量，提高功率级滑阀的驱动力，使功率级滑阀的抗污染能力增强。特性不易预测，惯性大，动态响应慢，受油温变化影响大，低温特性差。7.3电液伺服阀的分类7.3电液伺服阀的分类3）按反馈形式分类：可分为滑阀位置反馈、负载流量反馈和负载压力反馈三种。4）按力矩马达是否浸泡在油中分类：湿式：可使力矩马达受到油液的冷却，但油液中存在的铁污物使力短马达持性变坏；干式：则可使力矩马达不受油液污染的影响，目前的伺服阀都采用干式的。7.3电液伺服阀的分类双喷挡阀、射流管阀都是力反馈型伺服阀，线性度好，性能稳定，抗干扰能力强，零漂小。双喷挡阀的档板与喷嘴间隙小，易被污物卡住。射流管阀喷嘴为最小流通面积处，过流面积大，不易堵塞，抗污染性好。射流管阀具有“失效对中能力”。射流管阀动态性能稍低于喷挡阀。407.4电液伺服阀的特性及主要的性能指标电液伺服阀是非常精密而又复杂的伺服元件，其性能对整个伺服系统的性能影响很大，因此，对其特性及性能指标的要求十分严格。一、静态特性电液伺服阀的静态性能，可根据测试得到的负载流量特性、空载流量特性、压力特性、内泄漏特性等曲线和性能指标进行评定。1负载流量特性（压力-流量特性）负载流量特性曲线完全描述了伺服阀的静态特性。但要测得这组曲线却相当麻烦，特别是在零位附近，很难测出其精确值，而伺服阀却正好在此处工作。因此，这些曲线主要还是用来确定伺服阀的类型和估计伺服阀的规格，以便与所要求的负载流量和负载压力相匹配。41电液伺服阀的规格也可由额定电流In、额定压力pn、额定流量qn表示。额定电流In为产生额定流量对线圈任一极性所规定的输入电流（不包括零偏电流），单位为A。规定额定电流时，必须规定线圈的连接形式。额定电流通常指单线圈连接、并联连接或差动连接。当串联连接时，其额定电流为上述的额定电流的一半。额定工作条件时供油压力（额定供油压力），单位为pa。额定压力pn额定流量qn在规定的阀压降下，对应于额定电流的负载流量，单位为m3/s。通常在空载条件规定伺服阀的额定流量。此时阀压降等于额定供油压力，也可在负载压降等于三分之二供油压力的条件下规定额定流量，这样规定的额定流量对应阀的最大功率输出点。7.4电液伺服阀的特性及主要的性能指标422空载流量特性空载流量特性曲线是输出流量与输入电流呈回环状的函数曲线。它是在给定的伺服阀压降和负载压降为零的条件下，使输入电流在正、负额定电流值之间以阀的动态特性不产生影响的循环速度作一完整循环描绘出来的连续曲线。流量曲线中点的轨迹称名义流量曲线，是零滞环流量曲线。阀的滞环通常很小，可把流量曲线的任一侧当作名义流量曲线使用。流量曲线上某点或某段的斜率就是阀在该点或该段的流量增益。7.4电液伺服阀的特性及主要的性能指标43从名义流量曲线的零流量点向两极各作一条与名义流量曲线偏差为最小的直线，就是名义流量增益线，如图所示。两个极的名义流量增益线斜率的平均值就是名义流量增益，单位为m3/s·A。伺服阀的额定流量与额定电流之比称为额定流量增益。流量曲线不仅给出阀的极性、额定空载流量、名义流量增益，且从中还可得到阀的线性度、对称度、滞环、分辨率，并揭示阀的零区特性。7.4电液伺服阀的特性及主要的性能指标44①线性度流量伺服阀名义流量曲线的直线性。以名义流量曲线与名义流量增益线的最大偏差电流值与额