电液伺服阀知识讲解，电液伺服阀组成和工作原理

第1章电液伺服阀概论

电液伺服阀是电液伺服控制系统中的重要控制元件，在系统中起电液转换和功率放大作用。具体地说，系统工作时它直接接收系统传递来的电信号，并把电信号转换成具有相应极性的、成比例的、能够控制电液伺服阀的负载流量或负载压力的信号，从而使系统输出较大的液压功率，用以驱动相应的执行机构。电液伺服阀的性能和可靠性将直接影响系统的性能和可靠性，是电液伺服控制系统中引人注目的关键元件。

由于系统服务对象和使用环境各式各样，相应地为系统服务的电液伺服阀型号、结构、性能也多种多样。它们有个性，也有共性。本章将对常见电液伺服阀的结构原理、组成、分类及有关特点作简要介绍。

1.1电液伺服阀组成

电液伺服阀本身是一个闭环控制系统，一般由下列部分组成：

（1）电－机转换部分；

（2）机－液转换和功率放大部分；

（3）反馈部分；

（4）电控器部分。

大部分伺服阀仅由前三部分组成，只有电反馈伺服阀才含有电控器部分。

1. 电－机转换部分

电－机转换部分的工作原理是把输入电信号的电能通过特定设计的元件转换成机械运动的机械能，由此机械能进而驱动液压放大器的控制元件，使之转换成液压能。将电能转换为机械能的元件，人们通常称为力矩马达（输出为转角）或力马达（输出为位移）。力矩马达和力马达有动铁式和动圈式两种结构。常用的典型结构示于图1.1中。

图1.1（a）为永磁桥式动铁式力矩马达。它结构紧凑体积小，固有频率高；但是输出转角线性范围窄；适用于驱动喷嘴挡板液压放大器的挡板，射流管液压放大器的射流管或偏转射流管的偏转板。

图1.1（b）为高能永磁动铁式直线力马达。它体积大，加工工艺性好；驱动力大、行程较大；固有频率较低，约≤300Hz，适用于直接驱动功率级滑阀。

图1.1（c）为永磁动圈式力马达，它又有内磁型和外磁型两种结构形式。图1.1（d）为激磁动圈式力马达。它们的共同特点是体积大、加工工艺性好；但是同样的体积下输出力小；机械支撑弹簧的刚度通常不是很大，在同样的惯性下，动圈组件固有频率低；为提高固有频率，可增加支撑刚度及激磁和控制线圈功率，但尺寸大，功耗大。此型力马达的磁环小；线性范围宽，输出位移大；适用于直接驱动滑阀液压放大器的阀芯运动。

2. 机－液转换和功率放大部分

机－液转换及功率放大部分，实质上是专门设计的液压放大器，放大器的输入为力矩马达或力马达输出力矩或力，放大器的输出为负载流量和负载压力。

伺服阀常用的液压放大器示于图1.2中。

图1.2（a）为双喷嘴挡板式液压放大器，由两个固定节流孔和两个可变节流孔组成液压全桥，按节流原理工作。其特点是结构简单体积小，运动件惯性小，所需驱动力小，无摩擦，灵敏度高；但中位泄漏大，负载刚度差；输出流量小；固定节流孔的孔径和喷嘴挡板之间的间隙小，易堵塞，抗污染能力差；适于小信号工作，常用作两级伺服阀的前置放大级。

图1.2（b）为射流管式液压放大器，按动量转换原理工作。射流管孔径及射流管喷嘴与接受器之间的间隙较喷嘴挡板式大，不易被污物堵塞，抗污染能力强；射流喷嘴有失效对中功能；放大器效率高；但结构复杂，加工调试难；运动零件惯性大；射流管的引压管刚度差，易振动；常用作两级伺服阀的前置放大级。

图1.2（c）为偏转射流管式液压放大器，按动量转换原理工作。射流喷嘴及偏转板与射流盘之间的间隙大，不易堵塞，抗污染能力强；射流喷嘴有失效对中功能；运动零件惯量小。缺点是在高温及低温时性能差。可用于两级伺服阀的前置放大级。

图1.2（d）为滑阀式液压放大器，按节流原理工作。其特点是允许位移大；节流边为矩形或圆周开口时，线性好，输出流量大；流量增益和压力增益高；结构稍复杂；体积大；轴向及径向配套要求高；运动件惯量大，液动力大，要求驱动力大。通常与动圈式或MOOG DDV直线力马达直接连接构成单级伺服阀或用作两级伺服阀的前置级，它也是两级和三级伺服阀功率放大级的主要型式。

3. 反馈部分

通常有几种反馈形式：力反馈、直接位置反馈、压力反馈和电反馈。

1）力反馈

典型的双喷嘴挡板两级力反馈电液流量伺服阀的工作原理见第2章。此型力反馈伺服阀具有以下特点：

（1）衔铁及挡板工作在零位附近，对力矩马达的线性度要求不那么严格，而阀仍具有良好的线性；

（2）喷嘴挡板及输出驱动力大，增加了阀芯的抗污染能力；

（3）阀芯基本处于浮动状态，附加摩擦力小；

（4）阀的性能稳定，抗干扰能力强，零漂小；

（5）力反馈回路包围力矩马达，限制了阀的动态响应。

2）直接位置反馈

动圈式滑阀直接位置反馈两级电液流量伺服阀是典型的直接位置反馈型式，见图1.3。它由永磁式动圈力马达、马达直接驱动的双边滑阀式前置控制阀和三通滑阀式功率级组成。前置控制滑阀的两个预开口节流控制边与阀体上两个固定节流孔组成液压全桥，类似于喷嘴挡板放大器。滑阀副的阀芯直接与马达的动线圈骨架相连。前置级的阀套又是功率放大级的阀芯。

输入控制电流给力马达动圈，则力马达的动圈产生电磁力，此电磁力将克服对中弹簧的弹簧力使动圈和前置级阀芯移动，其位移量与动圈电流成正比。前置阀芯位移将使液压桥的两个可变液阻发生变化，因而液压桥将产生负载压力和负载流量，驱动功率级阀芯（即前置级的阀套）移动，且功率阀芯一边移动一边逐渐消减前置级滑阀的原开启面积的变化量，直到前置级滑阀两个可变节流控制口的面积相等，此时功率阀芯将停留在某一预定的位置上。这种直接位置反馈的作用，使功率级滑阀阀芯跟随前置级滑阀阀芯运动，功率级滑阀阀芯的位移与动圈输入电流大小成正比。

直接位置反馈式动圈伺服阀的特点：

（1）结构简单，工作可靠；

（2）力马达线性范围宽，调整方便；

（3）前置级滑阀流量增益大，输出流量大；

（4）和喷嘴挡板型力矩马达相比，力马达体积大，工作电流大；

（5）由于力马达动圈和滑阀阀芯直接连接，运动部分惯量较大，一般固有频率低。

3）压力反馈

一般情况下压力反馈用于压力伺服阀对输出压力的控制，使阀的输入信号与阀输出压力成一一对应关系，个别情况下用于流量伺服阀内部动压反馈校正。电液压力伺服阀通常有两种压力反馈结构型式：阀芯力综合式电液压力伺服阀和反馈喷嘴式电液压力伺服阀。

（1）阀芯力综合式电液压力伺服阀

该阀的工作原理见图1.4。给伺服阀输入某一信号，则喷嘴挡板产生压差，此压差作用到功率级滑阀的阀芯上，使阀输出负载压力，此负载压力反馈到阀芯两端。设喷嘴挡板级输出压力的作用面积为，输出压差为pc，功率级阀芯的反馈面积为，输出负载压力为pL，则当pL=pc时，阀芯将停留在这一平衡位置上，使得对应一个输入便有一个负载压力输出，且输出压力与输入信号成正比。这种反馈结构型式的特点是：

（1）压力反馈增益由喷嘴挡板级输出压力的作用面积和反馈面积之比决定，因此压力反馈有固定的线性增益；

（2）用对力矩马达进行充、退磁方法调整阀的压力增益；

（3）必须采用台阶式阀芯，加工较难。

（2）反馈喷嘴式电液压力伺服阀

此型伺服阀的工作原理见图1.5。当给阀输入某一信号时，阀的负载油口和便有负载压力输出。设油口输出压力大于油口输出压力，这个压力差通过反馈喷嘴作用到挡板上，形成对力矩马达的反馈力矩，磁力矩与负载油口压差成正比，作用方向与输入信号使力矩马达产生的电磁力矩相反。当反馈力矩等于电磁力矩时，衔铁挡板组件回到对中位置，阀芯也将停留在某一平衡位置，此时滑阀输出某一固定压差，且输出压差与输入信号成正比。这种压力反馈的反馈力矩在力矩马达上与输入信号产生的电磁力矩相综合。

该阀的优点是结构简单、体积小；静态性能优良，工作可靠；挡板在零位附近工作线性好。其缺点是反馈喷嘴有泄漏，增加了功耗；负载腔有泄漏流量，影响阀的动态响应；反馈喷嘴对挡板的反馈力与反馈喷嘴腔感受的负载压力不是严格线性的，因此，阀的压力特性线性度稍差；压力反馈的增益调整较困难；增加了一对喷嘴，抗污染能力也有所下降。

4）电反馈

电反馈型式在伺服阀中也有广泛应用，如直驱式电液流量和压力伺服阀，双喷嘴挡板两级电反馈电液流量伺服阀和三级流量伺服阀等等，它们的工作原理分别见第3章和第6章。

电反馈伺服阀的特点是回路增益较高，可以针对阀回路加必要的校正环节，阀的静、动态性能好；阀的最高动态受一级液压控制阀流量增益或受力矩马达固有频率限制；反馈增益可调，改变阀的额定流量方便。由于采用电反馈使阀中带有电控器成为可能。对电控器的基本要求是：

（1）带载能力强，频带宽；

（2）功率放大级功耗小；

（3）抗干扰能力强；

（4）输入输出参数连接端口和外形尺寸标准化、规范化；

（5）元器件微型化，体积小。

为此控制器功率级应采用恒流型，它可以消除在高频工作时由于阀线圈感抗变化造成伺服阀高频动态增益的变化，并将线圈电感引起的相位滞后减到最小。对阀线圈输入电流比较大的电控器功率级，宜采用脉宽调制（PWM）型开关式功率放大级。

大部分电反馈伺服阀采用模拟式电子控制器，也有一些伺服阀，如MOOG D636、D638型直驱式电液伺服阀采用数字式可编程伺服控制器，它既可以接受模拟信号，也可以直接接受数字信号，阀回路的优良性能完全由控制器的软件控制，设置和调整控制参数方便灵活，能自动消除由于环境变化而导致阀零位漂移影响。

1.2电液伺服阀分类

电液伺服阀的品种、型号规格很多，结构原理也各式各样，本节仅对常用的一些伺服阀进行分类。

按使用功能分如下三类：（1）电液流量伺服阀；（2）电液压力伺服阀；（3）电液压力流量伺服阀，也称PQ阀。

1. 电液流量伺服阀

按其结构和工作原理进一步分类如下：单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀。

1）单级伺服阀

常见的有动圈式力马达－滑阀电反馈型；永磁力马达－滑阀电反馈型，如MOOG DDV直驱型电液流量伺服阀。

2）两级伺服阀

（1）永磁式力矩马达

双喷嘴挡板力反馈型；

双喷嘴挡板直接反馈型；

双喷嘴挡板电反馈型；

双喷嘴挡板动压反馈型。

（2）射流管式

力反馈型；

直接反馈型。

（3）动圈式

滑阀式直接反馈型；

滑阀式电反馈型。

3）三级伺服阀

前置级为双喷嘴挡板力反馈型；

前置级为射流管式力或直接反馈型；

前置级为动圈式滑阀型。

2. 电液压力伺服阀

电液压力伺服阀有三种类型：（1）双喷嘴挡板阀芯力综合式；（2）双喷嘴挡板反馈喷嘴式；（3）永磁式力马达－滑阀电反馈型（如MOOG D635K）。

通常使用的压力流量伺服阀也有如下两种类型：（1）压力反馈式压力—流量伺服阀；（2）电反馈式压力—流量伺服阀。

1）压力反馈式压力－流量伺服阀

典型的压力反馈式压力－流量伺服阀结构原理图示于图1.6中。由图1.6可见，它是在双喷嘴力反馈电液流量伺服阀的基础上，在阀芯两端引入负载压力反馈构成的。当负载腔短接时，即pL=0，阀的输出流量qL与输入电流信号成比例，即有线性流量特性；而当负载腔关闭时，即qL=0，阀的输出负载压力pL与电流信号i成比例，即具有线性压力特性。以市场上出售的FF118-30型PQ阀为例，此阀的压力流量特性见图1.7。由图可见，此型阀的流量—压力系数高于一般流量伺服阀，低于压力伺服阀。

1.3电液伺服阀发展展望

回顾电液伺服阀发展历史和当前现状，可以看出电液伺服阀的发展与满足工业需求是分不开的，也与当时相关科学技术发展水平与发展阶段分不开的。如在航空航天领域，要求电液伺服阀体积小重量轻，于是就有了MOOG 30系列电液流量伺服阀问世。此系列伺服阀尺寸很小，重量仅1.86N 。有些电液伺服系统用阀，尤其是航空航天用阀，要求可靠性很高，因此针对特定系统研制出余度伺服阀。工业用阀一般都要求阀具有一定的抗污染能力，于是研制出了DDV型直驱式伺服阀和抗污染能力较强的MK型和PG型动圈式伺服阀。随着微电子技术和数字技术的发展，研制出了各种各样的高性能电反馈伺服阀，有的电反馈伺服阀的电控器采用了可编程伺服控制器，将数控技术直接应用于伺服阀，如此等等。

总的看目前伺服阀的设计制造技术较为成熟，但随着工业发展，伺服阀这门技术也将不断有所发展，有所提高。目前应从下面几点作些改进。

（1）直驱式伺服阀性能优秀，抗污染能力较强，但它的体积重量较大，还不适宜应用到航空航天领域，应设法对其微型化，使它应用于航空和航天。

（2）对工业用电反馈伺服阀进一步推广采用数字式可编程伺服控制器。

（3）从大量的伺服阀使用过程中，证明伺服阀的阀芯阀套是易损件，特别是控制节流边受高速流体冲刷更易磨损，此外力反馈伺服阀中反馈杆小球也易磨损。这是影响伺服阀寿命的关键之处，应设法寻求耐磨性能更好的材料代替现有材料。

（4）双喷嘴挡板力反馈电液伺服阀，无论是国产或是进口的，在使用过程中偶尔发生高频啸叫现象，应深入研究产生这一现象的原因，彻底根除这一现象。