0　引　　言

    電液伺服閥是電液伺服控制系統的核心控制元件,其性能直接決定和制約著整個電液伺服控制系統的控制精度、響應特性、工作可靠性及壽命[1]。隨著航空、航天和軍事工業對電液伺服系統性能要求的提高,民用工業對低成本、易維護、環保型電液伺服系統需求,傳統電液伺服閥已不能滿足要求。

    為提高伺服閥性能,國內外展開了以新型功能材料為基礎的高頻響、高精度電液伺服閥,以結構改進為基礎的大流量、抗污染、低成本型電液伺服閥,以及以水作為介質的水壓伺服閥的研究。本文從新型功能材料在電液伺服閥中應用、電液伺服閥結構改進、數字式和水壓式電液伺服閥等幾方面對當今電液伺服閥的研究現狀進行論述。

    1　新型功能材料在電液伺服閥中的應用

    1. 1　超磁致伸縮材料

    超磁致伸縮材料(GMM)的基本物理原理為磁致伸縮效應,即物體隨磁化方向伸長或縮短的現象[2]。此種材料做成的轉換器具有輸出力大、響應速度快、控制精度高等優點。

    圖1為日本的TakahiroUrai等人用GMM轉換器設計出了直動式伺服閥[3],它的原理是通過線圈中變化的電流產生磁場,使GMM棒伸縮,從而驅動與轉換器直接連接的閥芯產生輸出位移,并且按照其位移量大小來控制閥口流量。此GMM直動式伺服閥最大輸出流量達2L/min,頻寬650Hz。

    圖2為國內浙江大學研制的GMM噴嘴擋板伺服閥[3]。在驅動線圈通入一定電流,引起磁場變化,驅動GMM棒產生一定的輸出位移。輸出桿也是擋板,噴嘴與擋板間距離由GMM棒伸縮位移控制。預壓力機構由前端蓋、預壓彈簧、調節螺釘等組成,其基本原理是利用GMM棒的輸出位移推動輸出桿改變噴嘴與擋板間的間隙,從而實現噴嘴擋板伺服閥控制壓力的改變,通過GMM棒位移輸出的高頻高精度實現伺服閥頻響和精度的提高。該伺服閥具有較寬的控制壓力特性,在供油壓力10MPa時,可達0. 52MPa;學習度約為2. 5%;階躍響應上升時間為1ms,幅頻寬達680Hz。

    1. 2　壓電材料/電致伸縮材料

    壓電材料(PZT)和電致伸縮材料(PMN)都是電介質,在其極化方向上施加一定強度的電場,則會引起材料的機械變形,去掉電場后又能恢復到原狀態[4]。此種材料做成的轉換器同樣具有輸出力大、響應速度快、控制精度高等優點,與GMM材料相比,研究成熟,價格低,但其需要較高的驅動電壓。

    圖3為吉林大學研制的一種帶位移放大的直動式壓電伺服閥[4]。當施加到壓電疊堆上的外加電壓增加時,壓電疊堆伸長,推動柔性鉸鏈放大杠桿的位移輸入端。杠桿繞杠桿支點轉動,放大后的位移由杠桿的輸出端傳遞至滑閥閥芯,再推動彈性回復板,實現滑閥的左移;當外加電壓減小時,壓電疊堆縮短,在彈性回復板的回復力的作用下,滑閥右移,從而實現了滑閥的雙向運動,在供油壓力7MPa時,流量可達5. 7 L/min,頻響1. 2 kHz。

    圖4為利用PMN研制的雙噴嘴擋板伺服閥[3],彈性板左右面為由多層壓電疊片組成PMN元件。當左右PMN加以相反大小的電壓時,由于兩PMN疊片的伸縮量一個增加,一個減小,而使彈性板變形,從而引起擋板和噴嘴間距變化,達到驅動伺服閥的目的。實驗研究表明:其頻寬比一般的電液伺服閥的頻寬有了很大的提高,幅頻寬達到1 500Hz左右。

    1. 3　形狀記憶合金

    形狀記憶合金(SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經塑性形變并固定成另一種形變后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復成初始形狀的一類合金。此種材料做成的轉換器體積小、輸出位移大、具有自感知功能等優點[2],與GMM材料和壓電材料相比,響應較慢,輸出力小,控制精度低,價格較低。

    圖5為日本ShinihciYokota等人研制了SMA小型比例伺服閥[3],該閥采用差動結構,左右兩端的SMA轉換器是由一組細絲狀的形狀記憶合金繞制而成。對該閥進行性能測試實驗時,采用通電加熱和強制油冷方法來驅動SMA轉換器,對閥芯端分別給以加熱或冷卻,形狀記憶合金就會相應地收縮或伸長,從而驅動伺服閥的閥左右移動;同時加入位置反饋來提高伺服閥的控制性能。

1. 4　磁流變流體

    磁流變流體(MRF)屬可控流體,由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體。在外磁場作用下,表面黏度系數陡然增大兩個數量級以上;當外加磁場增強時,會在一瞬間(0. 1 s左右)變成類固體,失去流動性,當撤銷磁場后,材料立即恢復原狀[5]。

    國內哈爾濱工業大學利用MRF在外加磁場作用下,具有較大磁化強度的特點,提出了在力矩馬達銜鐵和鐵芯的工作氣隙中加入MRF,利用MRF來改善伺服閥動態性能的方法。實驗表明,添加磁流變流體后消除了射流管伺服閥的自激震蕩,但響應速度降低[6]。

    1. 5　電流變流體

    電流變流體(ERF),也是可控流體,它是用不導電的母液和均勻散布在其中的固體電介質顆粒所制成的懸浮體。在電場的作用下,電流變流體從流動性體轉變為有一定剪切屈服應力的粘塑性體。這樣的轉變是迅速的(ms級)、電依賴的、可逆的。利用電流變流體制成的伺服閥與傳統的伺服閥和比例閥相比具有響應快、精度高、能耗低、穩定性好等優點[7]。

    圖6為ERF伺服閥[7],由四個結構和幾何尺寸完全一致ER元件接成橋式回路與滑閥左右控制腔相連,當施加一電壓信號, ERF黏度發生變化,產生液阻,致使滑閥左右控制腔產生壓差,驅動滑閥閥芯移動。

    2　電液伺服閥結構的改進

    2. 1　直動式電液伺服閥

    直動式電液伺服閥(DDV)由直線力馬達、液壓閥及放大器組件構成,具有很強抗污染能力和很高的工作可靠性,動態指標高,結構簡單且成本較低,使電液伺服閥的應用領域得到了拓寬[8]。

    圖7為直動式電液伺服閥結構[8],一個電指令信號施加到閥芯位置控制器集成塊上,電子線路在直線力馬達上產生一個脈寬調制電流,振蕩器就使閥芯位置傳感器勵磁,經解調后的閥芯位置信號和指令位置信號進行比較,閥芯位置控制器產生一個電流給直線力馬達,力馬達驅動閥芯,一直使閥芯移動到指令位置,閥芯的位置與電指令信號成正比,伺服閥的實際流量是閥芯位置與通過節流口的壓力降的函數。

    2. 2　電液伺服比例閥

    電液伺服比例閥是伺服技術與比例技術結合的產物,是技術進步的一種必然。伺服比例閥分兩種,一種是由比例閥發展而來,一種由伺服閥發展而來。由比例閥發展而來的伺服比例閥具有如下特點:利用大電流的比例電磁鐵作為電—機械轉換器;首級采用伺服閥的閥芯閥套;首級與主級閥口零遮蓋;這種伺服比例閥無零位死區,可以用于各種閉環系統,因而加工精度與過濾精度要求與伺服閥相同;頻響較一般比例閥高,可靠性比普通伺服閥高。而由伺服閥發展而來的伺服比例閥是對伺服閥結構進行簡化,使其具有抗污染性、高可靠性、低成本等特點[9]。

    圖8為國內研制的射流管伺服比例閥[9],由于采用外接式濾器和過濾模塊,其抗污染能力強,對油液的清潔度要求等同于比例閥。該閥設計上主要通過改善工藝性來降低成本,并不降低加工精度,故其控制性能及精度完全等同于伺服閥,但與同規格伺服閥相比體積稍大。

    2. 3　旋轉式電液伺服閥

    為了解決傳統伺服閥結構復雜,制造要求高,使用條件極為苛刻,對油液的污染非常敏感,故障率較高,制造和使用成本高的缺點,北京航空航天大學設計出一種基于轉動閥芯結構原理的旋轉式伺服閥[10],如圖9所示,它由電動機直接驅動,從原理上克服了傳統伺服閥的缺點。

2. 4　余度電液伺服閥

    在航空航天領域為了提高伺服閥的可靠性,出現了余度伺服閥。余度伺服閥的主要特點是將伺服閥的力矩馬達、反饋元件、滑閥副做成多套,發生故障可隨時切換,保證系統的正常工作。

    俄羅斯在其研制的射流管式伺服閥閥芯兩端設計了雙冗余LVDT位置傳感器（下附雙余度LVDT圖）,用來檢測閥芯位置,一旦出現故障信號可立即切換備用伺服閥。國內有將射流管伺服閥的驅動線圈做成三冗余的,這些都大大提高了電液伺服系統的可靠性。

       雙余度LVDT位移傳感器結構圖

    2. 5　非對稱電液伺服閥

    非對稱電液伺服閥是指液壓油的進出節流窗口的面積梯度成一定比例的伺服閥。

    非對稱缸具有結構簡單、占用空間少、承載能力較大等優點。采用傳統的對稱伺服閥對非對稱缸進行控制時,液壓缸換向壓力突變會使液壓伺服系統產生振動和噪聲,易出現氣蝕和超壓,且液壓伺服系統兩個方向上動態特性是不對稱的。若采用非對稱閥控制非對稱液壓缸的形式,液壓缸兩腔壓力不再受運動方向影響,換向時壓力突變消失,系統動態特性對稱,對負載變化的承受能力也有很大提高。

    3　電液伺服閥的數字化

    隨著計算機技術在流體控制系統中的大量應用,流體控制技術及元件的數字化成為一種必然的勢。電液伺服閥的數字化主要體現在對數字化電—機轉換器使用上,如步進電機,伺服電機取代力馬達與力矩馬達作為電液伺服閥的電—機轉換器件。由于電機控制性能優良,因此此類伺服閥具有控制精度高、響應速度快、結構簡單的優點。

    圖10為直流無刷電機驅動的電液伺服閥[11],控制器采用DSP系統,閥芯部分采用直流無刷電機直接驅動,它由DSP控制器與功率放大電路控制,滑閥閥芯的軸向位移通過與電機同軸的偏心機構,球鉸耦合實現電/機轉換。

    4　水壓電液伺服閥

    水壓伺服系統具有價格低廉、對環境無污染、防爆、適合海中作業等優點。水壓伺服系統設計的關鍵是水壓伺服閥的研制。

    日本的TakahiroUrai等研制開發了永磁直線力馬達直接驅動水壓伺服控制閥[12],如圖11所示。伺服閥由線性力馬達、液壓滑閥和位置傳感器(LVDT)及放大器組成,通過脈寬調制(PWM)電流驅動,具有輸出功率大、響應速度快等特點,閥的最大工作壓力7MPa,額定流量24 L/min,閥內泄漏量0. 44L/min,滯環和零漂均小于0. 1%,動態響應頻率92Hz。

    5　結束語

    隨著先進制造技術、現代設計技術和微電子技術的發展以及新型功能材料的應用,高精度、高頻響、高可靠性、低成本、數字化、智能化、微型化、綠色化的電液伺服閥已經處在研制之中,這些電液伺服閥的研制成功必將給電液伺服控制系統性能帶來更大的提高。