伺服阀阀芯防转动结构分析及设计

0前言

伺服阀为功率放大元件，能将微弱的电信号转化为大功率的液压信号。从结构上分析，伺服阀由两部分构成，一部分为先导级，一部分为功率级^[1]。在功率级部分，通过阀套窗口输出的液流对负载进行控制。

伺服阀工作时的压力一般比较高，而且对负载的控制精度要求也较高。因此，功率级微弱的变化都会导致被控量的波动。在理想情况下，伺服阀工作时阀芯位移与指令信号成比例而固定在某一位置。但是在实际过程中，由于油路结构的非对称性以及油液的波动，阀芯在运动过程以及稳态情况下，可能会产生旋转运动，从而引起流量输出的不稳定。

文章从伺服阀结构入手，对导致阀芯旋转运动的原因进行了分析；此外，结合市面上主流型号的伺服阀，分析了其防止阀芯转动而采取的各种措施，并对相应的设计方法进行了归纳总结。

1阀芯转动原因分析

通常情况下伺服阀有P、A、B、T四个油口：P为进油口，T为回油口，A和B为控制油口，四个油口的位置和尺寸在设计时必须符合ISO4401标准^[2]。由于结构的限制，伺服阀四个油口不可能设计在一条直线上，通常设计成环形分布或者人字形分布等。不管何种形式的油口分布，P口一般不会设计在阀芯的轴线上，这就导致了P口的油液在进入阀芯和阀套构成的环腔中是非对称的。在油液流入腔体的过程中，尤其是高压大流量下，如果阀芯在径向方向上没有结构限制，就会在液流的作用下沿着液流流入的方向进行旋转。

1.1 流道结构

下面以穆格公司某型号伺服阀为例，对其流道结构进行分析，并阐述其导致阀芯旋转运动的故障机理。图1为阀芯阀套和阀体的剖面图。

为防止流量饱和，阀芯的阀杆和阀套之间设计成环形容腔，阀套和阀体之间也设计成环形容腔，并与阀芯与阀套形成的节流窗口之间满足一定的比例关系^[3][4]。当伺服阀通油时，油液通过P口瞬间充满阀套与阀体构成的环形容腔（图1右侧部分长箭头所示），并同时从阀套上的圆孔流入阀杆与阀套构成的环形容腔（图1右侧部分短箭头所示）。从图1 可以看出，P口到阀套上圆孔的距离并不是对称的。为了消除作用在阀芯上的液压侧向不平衡力，阀套上的圆孔通常设计为环形均布。即便如此，由于阀套上的圆孔到P口的位置不对称，油液流入阀芯与阀套构成的环腔容腔中的先后也不一样，这样阀芯必然会受到侧向不平衡力。

阀芯与阀套之间是间隙密封的，并且在阀芯凸肩上设计有均压槽形成静压支撑，因此当阀芯受到侧向不平衡力时，就有可能沿着其轴线转动。

图1 阀芯阀套和阀体剖面图

1.2 阀芯转动导致的异常现象

在设计伺服阀时，如果阀口压降已定，根据流量公式^[5]：

从（1）式中可以看出，伺服阀输出流量与阀芯位移x_v成正比。当指令信号一定，也即阀芯位移x_v一定时，伺服阀输出流量为一恒定值。如果阀芯在阀套中旋转，由于液动力的影响，阀芯很难保持在某一固定位置。根据公式（1），当阀芯位移x_v波动时，必然会引起输出流量的波动^[8]。

图2为某型号伺服阀阀芯旋转导致的流量输出异常：

图2 阀芯旋转导致的流量异常

  从图2中可以看出，在小流量时曲线的线性度比较好，因为此时液动力的干扰较小；随着流量的增加，曲线开始扭动。实际测试过程中，也会听到明显的异常声。如果阀套窗口的共面度不好，这种扭曲会更加明显。

2 解决措施

由以上分析可知，阀芯旋转是由于液压径向不平衡力导致的，为了防止阀芯旋转，必须在径向加限位措施。

2.1 MFB（机械反馈）伺服阀

传统MFB（机械反馈）伺服阀结构如图3所示：

图3 传统MFB伺服阀结构

反馈杆球头插在阀芯上的环槽中，球头与阀芯环槽成两个点接触。在径向方向并无限位，当受到液压径向不平衡力时，阀芯有可能沿其轴线旋转。

图4为穆格公司新一代MFB伺服阀：

图4  穆格公司新一代MFB伺服阀

在阀芯上设计有小孔，反馈杆球头插在阀芯小孔中，球头与阀芯上的小孔成线接触，增加了球头的耐磨性。同时可以防止阀芯沿其轴线旋转。

图5为parker Abex 的MFB伺服阀：

图5 parker Abex 的MFB伺服阀

反馈杆末端设计成扁平状插在阀芯开槽中，左右用两颗螺钉夹紧。这种结构也可以限制阀芯旋转。

2.2 EFB（电反馈）伺服阀

EFB伺服阀没有反馈杆，因此无法用反馈杆限制阀芯转动，一般采用轴向插销钉的方式限制其沿轴线旋转。图6为穆格公司某型号电反馈伺服阀：

图6  穆格公司某型号EFB伺服阀

图中红色圆圈部分即为限制阀芯转动的限位销钉。销钉压配在右侧端盖上，在阀芯上设计有盲孔，销钉装配在盲孔中。

2.3 伺服插装阀

伺服插装阀油路与伺服阀结构略有不同，但由于液动力的作用，阀芯也有可能转动。有些大通径伺服插装阀也设计了限制阀芯转动的结构。图7为穆格公司某型号伺服插装阀：

图7 穆格公司某型号伺服插装阀

图中红色圆圈即为限制阀芯旋转的结构。在阀芯上开有轴向腰型槽，阀套上有螺钉拧在腰型槽内，防止阀芯沿轴线旋转。

通过以上MFB、EFB以及伺服插装阀的结构分析可知，要防止阀芯沿其轴线旋转，必须在径向加限位结构。

3 结论

本文从流道结构分析了伺服阀阀芯产生旋转运动的原因：即作用在阀芯上的液压径向不平衡力。同时结合市场上主流型号的伺服阀，分别分析了其限制阀芯转动的结构设计，为伺服阀设计提供了指导。