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电液伺服阀—已往、如今和未来

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择要:到2016年为止,第一个关于两级电液伺服阀的专利曾经已往了70年,而双喷嘴挡板伺服阀专利的受权也已往了60年。本篇文章次要回忆在谁人期间关于伺服阀的一些设计,分外两级电液伺服阀。单级阀,也便是直动式大概比例阀的开展,在产业上而不是航空方面的使用,也做了复杂回忆。接着,讨论了现在关于伺服阀技能的一些研讨,分外是压电驱动以及增材制造。

1. 介绍

伺服阀是闭环电液活动控制体系的次要元件。“伺服阀”是指主阀芯地位与电信号成比例,而阀芯活动是由外部液动力驱动的。阀芯的活动改动节省口的巨细,因而控制了流量;但是,流量取决于节省口压差,除非利用了压力赔偿器。最罕见的伺服阀设计便是带机器反应的两级喷嘴挡板伺服阀(图1)。


图1 两级喷嘴挡板伺服阀

次要元件有:

  • 力矩马达作为电气与机器的转换器,由弹簧管支持,其无摩擦偏转,断绝了力矩马达与液压油(图2a)。

  • 挡板由力矩马达驱动,可以限定经过喷嘴的流量(图2b);挡板行程~0.1mm。也可以用单个喷嘴(图2c),其只能用于调治阀芯一侧的压力。但由于液动力的不屈衡,其对力矩马达有更高的要求。

  • 第一级构成H型液压桥式回路,此中一对喷嘴是可背叛流器,当挡板偏转的时分,会在阀芯两头发生压差。

  • 反应弹簧杆动员阀芯挪动(行程约莫~1mm),直到挡板的反应力与力矩马达的力相均衡,挡板将再回到中心地位。



图2 喷嘴挡板先导级元件


伺服阀既是一个功率缩小器,也是一个电气与液压的转换器。电气输出功率一样平常约0.1W,颠末先导级缩小之后,液压输入功率约达10W,颠末主阀芯转换之后液压输入功率可达10kW。因而阀的功率缩小因子到达105。关于一个三级阀,小阀芯驱动大阀芯,且带电气地位反应,可以进一步带来别的100倍的功率缩小。假如是4级阀,缩小因子也是同此原理。

2. 开展进程

初期的电液伺服阀次要是为军事用处而开辟,如用在二次天下大战的主动火炮对准。这类伺服阀典范的包括了电磁驱动阀芯,并带阀芯弹簧对中。次要用于流量控制,但控制精度很低,呼应也很慢。Tinsley产业仪表公司(伦敦)请求了第一个两级伺服阀专利(图3)。电磁铁(34)驱动第一级带弹簧对中的阀芯(47),其驱动一个旋转活动的主级(51),经过凸轮(54)把其地位反应到第一级,反应弹簧(59)把地位转换为力。


图3 Tinsley1946年创造的两级阀:

电磁铁 (34); 先导级阀芯 (47); 主级 (51); 反应凸轮 (54); 反应弹簧 (59)


伺服阀在20世纪50年月失掉了迅猛开展,次要是由于航空产业(分外是导弹)的需求在驱动。技能形态的开展和产品的系列化都获得了长足前进。1955年,在美国的Bell,Bendix, Bertea, Cadillac Gage, Drayer Hanson, GE,  Hughes, Hydraulic  Controls,  MIT, Midwestern  Geophysical  Labs, Honeywell,  Moog,  North American  Aviation,  Peacock, Pegasus,  Raythoen,  Sanders, Sperry,  Standard Controls 和Westinghouse等公司,伺服阀被制造(至多是样机)出来。各人认识到,单级间接驱动电磁阀主阀芯仅限于低流量,次要是由于电磁力过小,不敷以克制摩擦力,惯性力以及液动力。增长电磁实行器件的尺寸虽然可以进步电磁力,但由于电磁元件质量的增长以及更高的线圈电阻都市减小静态呼应。


两级阀次要利用喷嘴挡板大概更小的滑阀作为先导级,固然事先射流管曾经呈现,但被以为呼应慢一些而次要用于产业而非航空用处。喷嘴挡板阀,无论是单喷嘴照旧双喷嘴,从1920年之后,都曾经很好的使用于气动控制体系,如Foxboro公司所制造的。第二级(或主级)偶然接纳弹簧对中,大概由外部的反应,驱动主阀芯,使其与电气输出信号成比例。主阀芯地位反应要么机器的,经过反应弹簧杆加载电磁驱动力(力反应),大概电气上即主级阀芯上利用位移传感器。液压反应,经过负载压力与第一级压力的比力,用于压力控制使用。


局部制造商两级流量控制阀的清单见表1。由表可见,差别制造商,其电磁驱动、先导级和主级反应等,都不是完全一样的。此中一些在图4和图5中表明。


表1: 1955年开端的伺服阀设计




图4:1955年开端的喷嘴挡板设计




图5: 1955年开端的先导级滑阀设计


液压控制阀的最后设计是在MIT,并在由Blackburn,Reethof和Shearer合著的书上有细致的形貌。这本书是在50年月,由MIT员工给产业范畴的工程师培训的一个课程。这种阀表现,电气地位反应可以做得很无效,因而也动员了扭矩马达的开展。


Cadillac Gage FC-2 阀 (图 4b)值得ag九游会留意的,它是两级阀的先驱,厥后也成为了设计尺度:它在先导级把力矩马达与喷嘴挡板联合起来(固然是单喷嘴),主阀芯的机器力反应接纳反应弹簧杆。


Moog阀(图4a)最后由W.C.(Bill)Moog在康奈尔航空实行室(Cornell AeronauticalLaboratory)设计,并用于航空与导弹发射控制使用。Moog带来了少量实践的进步。经过弹簧管支持力矩马达,使得弹簧管偏置时更轻,摩擦力更小,减小了阀的阈值,进步了辨别率。1953年Moog取得了此项专利之后,又开端请求别的方面的专利,即改动单喷嘴设计的缺陷,提出了接纳双喷嘴挡板的机构,以消弭其对供油压力的敏感。


一个通常的妨碍便是磁性颗粒被油液带入收集在力矩马达,这在Series 2000阀上第一次失掉理解决,即经过把力矩马达和油液断绝开来。贝尔航空(BellAerospace)在1953年请求了此项专利。



到1957年为止,约别的17项阀的新设计呈现了,并被美国空军评价,包罗制造商Boeing,  Lear, Dalmo  Victor, Robertshaw  Fulton, Hydraulic  Research,  Hagan和National Water。两级双喷嘴挡板阀开端占有市场主流。必要留意的是,喷嘴挡板的布局比先导级接纳滑阀的布局制造上更廉价,由于一切先导级的滑阀都必要接纳颤振频率克制摩擦,偶然乃至是正遮掩。

  • Sanders SA17D – 音圈(voice coil)/双喷嘴挡板/机器力反应:一切元件轴向部署。

  • Cadillac Gage FC200 – 干式力矩马达/双喷嘴挡板/液压反应

  • Pegasus  Model  20 – 音圈(voice coil)大概电磁铁/双喷嘴-双挡板/经过在阀芯端部设置小孔,完成机器地位反应;双向对称版本(见图4c)

  • Hagan – 音圈(voice coil)/ 先导级滑阀,旋转以减小摩擦/无反应


同期反应的技能题目次要是零漂(固然次要缘故原由是力矩马达的温度敏理性),喷嘴和挡板的锈蚀,力矩马达的非线性(假如设计电流过小),以及高频不波动。事先,只要Moog和Cadillac  Gage有批量消费的阀用于商用目标,Bendix也有许多阀,但只在终极客户那边举行测试。

3. 产业阀

到20世纪50年月底,两级机器力反应伺服阀曾经在军事和航空范畴开端使用,次要包罗航空和导弹航行控制,雷达驱动和导弹发射,以及伺服液压体系开端使用于太空火箭的发射。


此时,伺服液压大概的产业使用也被人们渐渐认识到,少量的使用包罗机床,注塑机,汽轮机,冶金轧机,以及仿真和测试产业的精细控制。一些产业阀是从航空阀窜改而来的,好比“73”系列为最早的产业阀,是由Moog引入的。

产业阀必需要廉价,易维护,并包罗如下特性:

  • 阀体可更大,利便机加工

  • 先导级独立,便于调解和维护

  • 尺度油口尺寸

  • 内置过滤器,应对产业过滤略低的尺度


绝对于机器阀芯地位反应,电气反应可以取得更高的闭环增益,从而进步静态呼应,并且也可以校正滞环大概温度效应惹起的偏差。机器反应阀固有的宁静和紧凑对航空范畴来说具有很大的吸引力,但在产业阀,从1970年之后开端接纳电气反应。这此中一个标记性的事情便是Bosch在1973年引入了板式安置伺服阀,带射流管,接纳霍尔效应地位传感器,更紧张的是带集成电子缩小器。


Rexroth, Bosch, Vickers以及别的的液压抑造商均开辟了单级伺服阀,接纳一比拟例电磁铁控制弹簧对中的阀芯,开环控制,其与在20世纪50年月开辟的单级阀相似,但事先被航空产业使用给反对了。经过接纳电气地位反应和闭环控制,改进了控制精度以及呼应工夫。与比例电磁铁相比,线性力马达大概音控线圈实行器改进了线性度;80年月,用稀土磁体(Rare earth magnet)取代磁钢(Alnico magnet),克制了先导级输入力巨细的范围性。这种直动式阀由Moog开辟(图6),之后Parker也开辟了相似产品,其具有与二级阀相称的静态呼应。


图6:力马达间接驱动,集成电子


表2示出了典范阀的特征,包罗阀芯驱动力型式。高的阀芯驱动力不但有利于克制液动力,减速阀芯活动,并且可以更好的克制小颗粒净化物的混合,从而制止卡阀。


表 2: 典范4通阀的功能参数@额外流量40L/min(70bar压降


4. 新鲜的电液伺服阀设计

这些年来,林林总总[lín lín zǒng zǒng]的关于阀的设计被探究和开辟出来,用以进步静态呼应,减小走漏,改进维护性大概提拔别的绝对于传统阀的好处。大局部的研讨都会合在接纳新的办法来改进阀芯驱动,其每每触及到新质料的使用。


4.1  压电效应实行器

当电场作用的时分,压电陶瓷变形十分快,但最大变形量很小,约莫只要0.15%。因而,接纳货仓方法的实行器(图7a)实践上也必要活动的缩小,即便在先导级(比方挡板活动大约0.1mm)。矩形弯曲实行器(图7b)可以为先导级提供充足的位移,公道的力范畴(10N~100N)。此种弯曲型式的陶瓷层厚度约莫20μm,因而电压约莫至50V,可提供充足的磁场强度。但是,压电陶瓷质料受制于滞环(典范的20%),蠕动,货仓实行器长度取决于温度等要素的影响。由于实行器体现得像一个电容,呼应速率通常受限于缩小器电流的限定。


在1955年终于阀的观察中,电机器转换的实行器只要电磁的方法,但也提到“压电晶体”被用于某些实验模子,以获取更好的呼应。但是,到现在为止照旧没有被普遍承受,由于对其抗震功能,温度变革,电气乐音等的高度猜疑,以及较难从晶体里获取充足的位移。压电晶体的阀在1955已有专利,包罗压电晶体挡板用于双喷嘴挡板阀,另有通报流体的压电晶体油泵。


图7:压电效应


接纳货仓方法的实行器驱动阀芯必要一些活动缩小。好比接纳静压变压器,内充硅橡胶并带有肯定的面积比率。相位滞后-90°的带宽频率可达270Hz,而且在阀芯两头接纳两个反向的实行器以减小温度敏理性(图8)。机器缩小接纳连杆的方法(图9)。


图 8:阀芯活动带静压缩小压电货仓活动



图 9:阀芯活动,带机器缩小压电货仓活动


接纳压电实行器取代二级阀中的力矩马达在浩繁的研讨中均有陈诉。图10,该伺服阀接纳机器反应阀挪动挡板。图11,一种航空伺服阀,带反应杆,接纳矩形压电陶瓷弯曲实行器来驱动偏转安装,创造者以为其在射流管处只会发生更小的液动力。与力矩马达相比,其被以为压电陶瓷弯曲实行器可以更好加工,更好测试,以及具有更好的反复性。在近来的一个样机中,环形实行器被用于先导级。先导级是迷你阀,带正遮掩以补偿走漏。接纳电气地位反应的阀见图12。


图10:压电货仓,用于两级阀


图 11:压电环形弯曲实行器 先导阀芯 两级电反应阀




图 12:压电环形弯曲实行器 先导阀芯 两级电反应阀


别的一种接纳压电陶瓷货仓事情原理的阀如图13。先导级的4个节省口组成H-桥式回路,且均是可调的,接纳汽车燃油放射,带40μm行程,-90°的带宽到达1kHz以上。


图 13:独立的压电效应控制 先导级H桥式回路节省孔


图14所示的是别的一种进步直动式阀的疾速呼应的新理念。接纳货仓技能,阀芯阀套挪动范畴+/-20μm,相称于传统的线性力马达+/-1mm的挪动间隔。因而,即便在高于60Hz以上的频宽,也可以完成很精细的流量控制。


图 14:双作用阀 高频响 长行程实行器


4.2  别的的一些新设计

磁致伸缩是别的一种质料征象,可被用于发明“智能实行器”。磁致伸缩阀芯的活动也曾经被测试许多年。它面对的与压电陶瓷一样的应战,若有限位移量,滞环,温度敏理性等。


4.3  增材制造

增材制Additive Manufacturing,俗称3D打印,给液压元件的制造带来新的办法。AM可以用以加重阀块的分量,更紧张的是提供设计者更多的设计自在度,由于不必要思索一些加工制造的束缚。比方图12所示的压电效应阀,接纳激光熔融技能,用钛合金制造阀块。图15表现了终极的制品阀,图16表现的是AM阀体,图17示例了CT扫描阀体的外部状况。


图 15:原型 增材制造


图 16:AM制造阀体细节


图 17:CT扫描阀体


5. 结论

一些根本的关于单级阀大概两级阀的设计理念在20世纪50年月中期被提出来的。两级的机器反应的伺服阀在60年达开端使用于航空,以及一些高功能要求的产业范畴。单级阀,带比例电磁铁大概线性力马达驱动阀芯的,在70年月和80年月作为一种低本钱办理方案,开端使用于产业体系,而且随着阀芯地位带反应和集成电子的使用不停增加。


力矩马达驱动的两级伺服阀失掉了极大的乐成使用。只管云云,手工安置和调解力矩马达一直证明是必需的。在一些使用,寻觅一些潜伏的具有更高静态呼应的压电效应伺服阀大概别的质料,吸引越来越多的兴味。只管60年来,人们没有中止对新质料,新技能的研讨,但力矩马达仍然持续在利用。大概未来,会呈现真正的竞争者。


增材制造,分外是在制造量不太大(比方在航空航天)的时分,消弭了阀体和其他液压元件中的很多制造限定。这将使一些设计头脑打破物理的限定,而加工制造的潜能将失掉进一步发扬。


进一步的开展趋向是伺服阀的智能化。集成自校正功效、形态监测和通讯才能的进步是产业电液伺服阀的开展趋向,也将在航空航天失掉使用。


应该留意的是,阀控液压体系的面对的应战正在产生,如接纳电液实行器(伺服泵控制实行器),或泵伺服变量控制的呆板更节能。但是,这种体系的功率密度和静态呼应远远低于传统的阀控体系,以是技能的开展轨迹仍然是不确定的。


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