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              電液伺服閥—過去、現在和將來

              作者:    發布于:2018/6/19 10:17:23    文字:【】【】【
              摘要:到2016年為止,第一個關于兩級電液伺服閥的專利已經過去了70年,而雙噴嘴擋板伺服閥專利的授權也過去了60年。本篇文章主要回顧在那個時代關于伺服閥的一些設計,特別兩級電液伺服閥。單級閥,也就是直動式或者比例閥的發展,在工業上而不是航空方面的應用,也做了簡單回顧。接著,討論了目前關于伺服閥技術的一些研究,特別是壓電驅動以及增材制造。

              1. 介紹

              伺服閥是閉環電液運動控制系統的主要元件。“伺服閥”是指主閥芯位置與電信號成比例,而閥芯運動是由內部液動力驅動的。閥芯的運動改變節流口的大小,因此控制了流量;然而,流量取決于節流口壓差,除非使用了壓力補償器。最常見的伺服閥設計就是帶機械反饋的兩級噴嘴擋板伺服閥(圖1)。


              圖1 兩級噴嘴擋板伺服閥

              主要元件有:

              • 力矩馬達作為電氣與機械的轉換器,由彈簧管支撐,其無摩擦偏轉,隔離了力矩馬達與液壓油(圖2a)。

              • 擋板由力矩馬達驅動,可以限制通過噴嘴的流量(圖2b);擋板行程~0.1mm。也可以用單個噴嘴(圖2c),其只能用于調節閥芯一側的壓力。但是由于液動力的不平衡,其對力矩馬達有更高的要求。

              • 第一級形成H型液壓橋式回路,其中一對噴嘴是可變節流器,當擋板偏轉的時候,會在閥芯兩端產生壓差。

              • 反饋彈簧桿帶動閥芯移動(行程大約~1mm),直到擋板的反饋力與力矩馬達的力相平衡,擋板將再回到中心位置。



              圖2 噴嘴擋板先導級元件


              伺服閥既是一個功率放大器,也是一個電氣與液壓的轉換器。電氣輸入功率一般約0.1W,經過先導級放大之后,液壓輸出功率約達10W,經過主閥芯轉換之后液壓輸出功率可達10kW。因此閥的功率放大因子達到105。對于一個三級閥,小閥芯驅動大閥芯,且帶電氣位置反饋,可以進一步帶來另外100倍的功率放大。如果是4級閥,放大因子也是同此道理。

              2. 發展歷程

              初期的電液伺服閥主要是為軍事用途而開發,如用在二次世界大戰的自動火炮瞄準。這類伺服閥典型的包含了電磁驅動閥芯,并帶閥芯彈簧對中。主要用于流量控制,但是控制精度很低,響應也很慢。Tinsley工業儀表公司(倫敦)申請了第一個兩級伺服閥專利(圖3)。電磁鐵(34)驅動第一級帶彈簧對中的閥芯(47),其驅動一個旋轉運動的主級(51),通過凸輪(54)把其位置反饋到第一級,反饋彈簧(59)把位置轉換為力。


              圖3 Tinsley1946年發明的兩級閥:

              電磁鐵 (34); 先導級閥芯 (47); 主級 (51); 反饋凸輪 (54); 反饋彈簧 (59)


              伺服閥在20世紀50年代得到了迅猛發展,主要是因為航空工業(特別是導彈)的需求在驅動。技術狀態的發展和產品的系列化都取得了長足進步。1955年,在美國的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,伺服閥被制造(至少是樣機)出來。大家意識到,單級直接驅動電磁閥主閥芯僅限于低流量,主要是因為電磁力過小,不足以克服摩擦力,慣性力以及液動力。增加電磁執行器件的尺寸固然可以提高電磁力,但是由于電磁元件質量的增加以及更高的線圈電阻都會減小動態響應。


              兩級閥主要使用噴嘴擋板或者更小的滑閥作為先導級,雖然當時射流管已經出現,但被認為響應慢一些而主要用于工業而非航空用途。噴嘴擋板閥,無論是單噴嘴還是雙噴嘴,從1920年之后,都已經很好的應用于氣動控制系統,如Foxboro公司所制造的。第二級(或主級)有時采用彈簧對中,或者由內部的反饋,驅動主閥芯,使其與電氣輸入信號成比例。主閥芯位置反饋要么機械的,通過反饋彈簧桿加載電磁驅動力(力反饋),或者電氣上即主級閥芯上使用位移傳感器。液壓反饋,通過負載壓力與第一級壓力的比較,用于壓力控制應用。


              部分制造商兩級流量控制閥的清單見表1。由表可見,不同制造商,其電磁驅動、先導級和主級反饋等,都不是完全一樣的。其中一些在圖4和圖5中解釋。


              表1: 1955年開始的伺服閥設計




              圖4:1955年開始的噴嘴擋板設計




              圖5: 1955年開始的先導級滑閥設計


              液壓控制閥的最初設計是在MIT,并在由Blackburn,Reethof和Shearer合著的書上有詳盡的描述。這本書是在50年代,由MIT員工給工業領域的工程師培訓的一個課程。這種閥顯示,電氣位置反饋可以做得很有效,因此也帶動了扭矩馬達的發展。


              Cadillac Gage FC-2 閥 (圖 4b)值得我們注意的,它是兩級閥的先驅,后來也成為了設計標準:它在先導級把力矩馬達與噴嘴擋板結合起來(雖然是單噴嘴),主閥芯的機械力反饋采用反饋彈簧桿。


              Moog閥(圖4a)最初由W.C.(Bill)Moog在康奈爾航空實驗室(Cornell AeronauticalLaboratory)設計,并用于航空與導彈發射控制應用。Moog帶來了大量實際的提高。通過彈簧管支撐力矩馬達,使得彈簧管偏置時更輕,摩擦力更小,減小了閥的閾值,提高了分辨率。1953年Moog獲得了此項專利之后,又開始申請其它方面的專利,即改變單噴嘴設計的缺陷,提出了采用雙噴嘴擋板的機構,以消除其對供油壓力的敏感。


              一個通常的故障就是磁性顆粒被油液帶入聚集在力矩馬達,這在Series 2000閥上第一次得到了解決,即通過把力矩馬達和油液隔離開來。貝爾航空(BellAerospace)在1953年申請了此項專利。



              到1957年為止,約另外17項閥的新設計出現了,并被美國空軍評估,包括制造商Boeing,  Lear, Dalmo  Victor, Robertshaw  Fulton, Hydraulic  Research,  Hagan和National Water。兩級雙噴嘴擋板閥開始占據市場主流。需要注意的是,噴嘴擋板的結構比先導級采用滑閥的結構制造上更便宜,因為所有先導級的滑閥都需要采用顫振頻率克服摩擦,有時甚至是正遮蓋。

              • Sanders SA17D – 音圈(voice coil)/雙噴嘴擋板/機械力反饋:所有元件軸向布置。

              • Cadillac Gage FC200 – 干式力矩馬達/雙噴嘴擋板/液壓反饋

              • Pegasus  Model  20 – 音圈(voice coil)或者電磁鐵/雙噴嘴-雙擋板/通過在閥芯端部設置小孔,實現機械位置反饋;雙向對稱版本(見圖4c)

              • Hagan – 音圈(voice coil)/ 先導級滑閥,旋轉以減小摩擦/無反饋


              同期反饋的技術問題主要是零漂(雖然主要原因是力矩馬達的溫度敏感性),噴嘴和擋板的銹蝕,力矩馬達的非線性(如果設計電流過?。?,以及高頻不穩定。當時,只有Moog和Cadillac  Gage有批量生產的閥用于商用目的,Bendix也有很多閥,但只在最終客戶那里進行測試。

              3. 工業閥

              到20世紀50年代底,兩級機械力反饋伺服閥已經在軍事和航空領域開始應用,主要包括航空和導彈飛行控制,雷達驅動和導彈發射,以及伺服液壓系統開始應用于太空火箭的發射。


              此時,伺服液壓可能的工業應用也被人們逐漸意識到,大量的應用包括機床,注塑機,汽輪機,冶金軋機,以及仿真和測試工業的精密控制。一些工業閥是從航空閥改動而來的,比如“73”系列為最早的工業閥,是由Moog引入的。

              工業閥必須要便宜,易維護,并包括如下特征:

              • 閥體可更大,方便機加工

              • 先導級獨立,便于調整和維護

              • 標準油口尺寸

              • 內置過濾器,應對工業過濾略低的標準


              相對于機械閥芯位置反饋,電氣反饋可以獲得更高的閉環增益,從而提高動態響應,而且也可以校正滯環或者溫度效應引起的誤差。機械反饋閥固有的安全和緊湊對航空領域來說具有很大的吸引力,但是在工業閥,從1970年之后開始采用電氣反饋。這其中一個標志性的事件就是Bosch在1973年引入了板式安裝伺服閥,帶射流管,采用霍爾效應位置傳感器,更重要的是帶集成電子放大器。


              Rexroth, Bosch, Vickers以及其它的液壓制造商均開發了單級伺服閥,采用一對比例電磁鐵控制彈簧對中的閥芯,開環控制,其與在20世紀50年代開發的單級閥類似,但是當時被航空工業應用給否決了。通過采用電氣位置反饋和閉環控制,改善了控制精度以及響應時間。與比例電磁鐵相比,線性力馬達或者音控線圈執行器改善了線性度;80年代,用稀土磁體(Rare earth magnet)代替磁鋼(Alnico magnet),克服了先導級輸出力大小的局限性。這種直動式閥由Moog開發(圖6),之后Parker也開發了類似產品,其具有與二級閥相當的動態響應。


              圖6:力馬達直接驅動,集成電子


              表2示出了典型閥的特性,包括閥芯驅動力型式。高的閥芯驅動力不僅有利于克服液動力,加速閥芯運動,而且可以更好的克服小顆粒污染物的夾雜,從而避免卡閥。


              表 2: 典型4通閥的性能參數@額定流量40L/min(70bar壓降


              4. 新穎的電液伺服閥設計

              這些年來,各種各樣的關于閥的設計被探索和開發出來,用以提高動態響應,減小泄漏,改善維護性或者提升其它相對于傳統閥的優點。大部分的研究都集中在采用新的方法來改善閥芯驅動,其常常涉及到新材料的應用。


              4.1  壓電效應執行器

              當電場作用的時候,壓電陶瓷變形非???,但是最大變形量很小,大約只有0.15%。因此,采用堆棧方式的執行器(圖7a)實際上也需要運動的放大,即使在先導級(例如擋板運動大概0.1mm)。矩形彎曲執行器(圖7b)可以為先導級提供足夠的位移,合理的力范圍(10N~100N)。此種彎曲型式的陶瓷層厚度大約20μm,因此電壓大約至50V,可提供足夠的磁場強度。然而,壓電陶瓷材料受制于滯環(典型的20%),蠕動,堆棧執行器長度取決于溫度等因素的影響。由于執行器表現得像一個電容,響應速度通常受限于放大器電流的限制。


              在1955年關于閥的調查中,電機械轉換的執行器只有電磁的方式,但也提到“壓電晶體”被用于某些試驗模型,以獲取更好的響應。然而,到目前為止還是沒有被廣泛接受,由于對其抗震性能,溫度變化,電氣噪音等的高度懷疑,以及較難從晶體里獲取足夠的位移。壓電晶體的閥在1955已有專利,包括壓電晶體擋板用于雙噴嘴擋板閥,還有傳遞流體的壓電晶體油泵。


              圖7:壓電效應


              采用堆棧方式的執行器驅動閥芯需要一些運動放大。比如采用靜壓變壓器,內充硅橡膠并帶有一定的面積比率。相位滯后-90°的帶寬頻率可達270Hz,并且在閥芯兩端采用兩個反向的執行器以減小溫度敏感性(圖8)。機械放大采用連桿的方式(圖9)。


              圖 8:閥芯運動帶靜壓放大壓電堆棧運動



              圖 9:閥芯運動,帶機械放大壓電堆棧運動


              采用壓電執行器代替二級閥中的力矩馬達在眾多的研究中均有報告。圖10,該伺服閥采用機械反饋閥移動擋板。圖11,一種航空伺服閥,帶反饋桿,采用矩形壓電陶瓷彎曲執行器來驅動偏轉裝置,發明者認為其在射流管處只會產生更小的液動力。與力矩馬達相比,其被認為壓電陶瓷彎曲執行器可以更好加工,更好測試,以及具有更好的重復性。在最近的一個樣機中,環形執行器被用于先導級。先導級是迷你閥,帶正遮蓋以彌補泄漏。采用電氣位置反饋的閥見圖12。


              圖10:壓電堆棧,用于兩級閥


              圖 11:壓電環形彎曲執行器 先導閥芯 兩級電反饋閥




              圖 12:壓電環形彎曲執行器 先導閥芯 兩級電反饋閥


              另外一種采用壓電陶瓷堆棧工作原理的閥如圖13。先導級的4個節流口構成H-橋式回路,且均是可調的,采用汽車燃油噴射,帶40μm行程,-90°的帶寬達到1kHz以上。


              圖 13:獨立的壓電效應控制 先導級H橋式回路節流孔


              圖14所示的是另外一種提高直動式閥的快速響應的新理念。采用堆棧技術,閥芯閥套移動范圍+/-20μm,相當于傳統的線性力馬達+/-1mm的移動距離。因此,即使在高于60Hz以上的頻寬,也可以實現很精密的流量控制。


              圖 14:雙作用閥 高頻響 長行程執行器


              4.2  其它的一些新設計

              磁致伸縮是另外一種材料現象,可被用于創造“智能執行器”。磁致伸縮閥芯的運動也已經被測試很多年。它面臨的與壓電陶瓷一樣的挑戰,如有限位移量,滯環,溫度敏感性等。


              4.3  增材制造

              增材制Additive Manufacturing,俗稱3D打印,給液壓元件的制造帶來新的方法。AM可以用以減輕閥塊的重量,更重要的是提供設計者更多的設計自由度,因為不需要考慮一些加工制造的約束。例如圖12所示的壓電效應閥,采用激光熔融技術,用鈦合金制造閥塊。圖15顯示了最終的成品閥,圖16顯示的是AM閥體,圖17示例了CT掃描閥體的內部情況。


              圖 15:原型 增材制造


              圖 16:AM制造閥體細節


              圖 17:CT掃描閥體


              5. 結論

              一些基本的關于單級閥或者兩級閥的設計理念在20世紀50年代中期被提出來的。兩級的機械反饋的伺服閥在60年達開始應用于航空,以及一些高性能要求的工業領域。單級閥,帶比例電磁鐵或者線性力馬達驅動閥芯的,在70年代和80年代作為一種低成本解決方案,開始應用于工業系統,并且隨著閥芯位置帶反饋和集成電子的應用不斷增長。


              力矩馬達驅動的兩級伺服閥得到了極大的成功應用。盡管如此,手工安裝和調整力矩馬達始終證明是必須的。在一些應用,尋找一些潛在的具有更高動態響應的壓電效應伺服閥或者其它材料,吸引越來越多的興趣。盡管60年來,人們沒有停止對新材料,新技術的研究,但是力矩馬達依然繼續在使用。也許將來,會出現真正的競爭者。


              增材制造,特別是在制造量不太大(例如在航空航天)的時候,消除了閥體和其他液壓元件中的許多制造限制。這將使一些設計思想突破物理的限制,而加工制造的潛能將得到進一步發揮。


              進一步的發展趨勢是伺服閥的智能化。集成自校正功能、狀態監測和通信能力的提高是工業電液伺服閥的發展趨勢,也將在航空航天得到應用。


              應該注意的是,閥控液壓系統的面臨的挑戰正在發生,如采用電液執行器(伺服泵控制執行器),或泵伺服變量控制的機器更節能。然而,這種系統的功率密度和動態響應遠遠低于傳統的閥控系統,所以技術的發展軌跡依然是不確定的。


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