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发表于 2012-3-18 14:57:06
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电液伺服阀的发展历史及研究现状分析
. \( ^2 U9 K2 O3 N9 L论文关键词：电液伺服阀 发展历史 发展趋势 9 }' F) a. r) v5 v4 T( C) I6 @- q
论文摘要：电液伺服阀是电液伺服控制系统中的关键元件。文章详细论述了电液伺服阀的发展历史及研究现状。最后对电液伺服阀的趋势进行了展望。 9 h* j2 p# d( x) j( d3 j* i3 M# b& ^
一、概述
- J# B4 e3 X- P2 | 电液伺服阀不仅能够实现微小电气信号向大功率液压信号(流量与压力)的转换，还 可以根据输人电信号的大小，成比例地输出相应的流量和压力。因此，在电液伺服系统中， 电液伺服阀将电气部分与液压部分连接起来，实现整个系统的控制策略和执行元件的动作。所以，电液伺服阀的性能，特别是其电液伺服阀的动特性和稳定性，直接影响到整个液压系 统乃至机械设备的可靠性和寿命。电液伺服阀的发展史就是一部力图获得速度更快、精度 更高、稳定性更好的创新史。
! `# [% c/ ~* n6 ~% J# G* M 二、发展历史
% n% h6 l) K8 u 1.早期。最早使用液压伺服技术的机构也许已经湮灭在浩瀚的历史长河中。但是最早对这门学科作出了突出贡献的人可以肯定的说是Ktesbios。公元前247年到285年，生活在亚历山大城的古埃及人Ktesbios发明了很多液压伺服机构。其中最为杰出的一种是水钟，他设计的水钟可以显示长达一个月的准确时间。其原理是通过节流孔将浮标显示的液面高度与容器形成一个闭环反馈系统。从某种意义上说，这种浮标已经具备现代液压伺服阀的雏形。 ( y9 @1 t3 @& u, { x. C. u- G
但是，在随后漫长的历史阶段，液压控制技术一直停滞不前。直到1750年左右，用于控制给水系统和蒸汽锅炉水位的液位控制阀在英国出现。随着工业革命的发展，控制策略的不断改进，进而影响到液压技术的发展。1795年，约瑟夫•布拉马应用帕斯卡原理制作了水压机，1796年，莫兹利为了使水压机更好的工作，设计了水压机泵的密封装置—皮碗密封。而它是我们现在密封技术的初形。到了18世纪末期，蓄能器在英国出现。19世纪早期，开始采用油液代替水成为液压系统的介质，同时方向控制阀采用电信号进行驱动。
0 Z8 S" l# k) u J3 S. k 2二战期间。在二战前夕，由于空气动力学的应用要求一种能够实现机械信号与气体信号转换装置。阿斯卡尼亚控制器公司及Askania -Werke根据射流原理发明了射流管阀并申请了专利。根据同样的原理，福克斯波罗申请了双喷嘴挡板阀的专利。德国西门子公司发明了永磁式力矩马达，它可以接受通过弹簧输人的机械信号和移动线圈产生的电信号，并开创性地使用在航空领域。 8 A o4 E+ ? f6 ~/ S( }
在二战末期，伺服阀是采用滑阀阀芯在阀套中移动的结构。阀芯的运动是直流螺线管产生的电磁力与弹簧产生的压力共同作用的结果，因此，此时的伺服阀还仅仅是一种单级开环控制阀。
6 Z" R6 g; U( o0 |7 o 3二战后。二次世界大战之后，由于军事的刺激，自动控制理论特别是武器和飞行器控制系统的研究得到进一步发展。这从另一个方面大大刺激了液压伺服阀的研制与创新。 ' \& W& m1 Q# y* m# m( W
1946年，英国的廷斯利发明了两级液压阀;雷神和贝尔飞机公司获得了带反馈两级伺服阀的 专利;麻省理工学院采用线性度更好、更节能的 力矩马达代替螺线管作为滑阀的驱动装置。 ! u: t( S) H! n
1950年，穆格发明了采用喷嘴节流孔作前置级的两级伺服阀。在此基础上，从1953年至1955年，卡森发明了机械反馈式两级伺服阀;穆格改进了双喷嘴节流孔结构;沃尔平则将湿式电磁铁改为干式的，消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。1957年，阿奇利发明了射流管阀作为前置级的两级电液伺服阀。并于1959年成功研制出了兰级电信号反馈伺服阀。 8 A2 U3 _, b, Y; J7 h% Q
此时的电液伺服阀开发研制进人了迅速发展时期，很多结构设计进一步提高了电液伺服阀的性能。特别是1960年的电液伺服阀设计更多地显示出了现代伺服阀的特点。如:两级间形成了闭环反馈控制;力矩马达更轻移动距离更小;前置级对功率级的压差通常可达到50%以上;前置级无摩擦并且与工作油液相互独立;前置级的机械对称结构减小了温度、压力变化对零位的影响。 - Q( H6 M5 X, h) K, ~1 G( m1 I+ T
在20多年的时间里，电液伺服阀完成了从早期的单击开环控制阀到两级闭环控制伺服阀的转变。可以看出，在那个时代中电液伺服阀的发展更多的是由十军事应用的需要，因此，它的开发是不计一成本的，这也造成了当时的电液伺服阀性能优越但价格昂贵。 0 b. M4 h7 M2 _) F7 H/ A2 E' y5 I) \
随后，一些公司开始开发电液伺服发的工业应用。穆格公司于1963年研制出73系列电液伺服阀，可以满足工业用油的清洁度要求。此后，为了满足现代工业的要求，以1960年的伺服阀为基础的伺服阀结构设计研制仍在继续。如:阀的体积变大(与航空用阀相比)，材料也不再是锻钢;先导级独立出来，以方便维修和调试;阀的许用压力范围降低至10MPa到20MPa，而不再是原来的30MPa;开始标准化生产，以降低成本和满足通用的要求。
% J, u# A( Z% B) O0 d# p 三、研究现状
0 y# c. J; x+ E% L2 | 通过前述可以看出，电液伺服阀已经不可能出现原理的改变，要知道本身它的发展史就没有多少重要的变化。但是，我们可以就某些特定方面进行技术革新。当前电液伺服阀的研究主要集中在结构的改进、材料的使用及测试方法的改变。
, b/ c$ B2 ^- A2 b: p 1.结构方面。在结构改进方面，针对伺服阀常见故障进行分析，提出改进方案，采用计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)手段，进行结构优化，以满足阀的性能要求。如:直驱式伺服阀的产生、压电陶瓷式伺服阀的 出现。此外，还有利用三余度技术对伺服阀的机构行改造，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套。若某个关键元件发生故障，可随时切换另外备用套，从而保证阀的正常工作，提高了系统的可靠性和使用寿命。 ( z( l* { ?4 H1 y/ z; j
2.材料方面。在材料替换方面，可以针对电液伺服阀的性能要求，对特定的零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料。对密封圈的材料进行更替，可以使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。用红宝石材料制作喷嘴档板，可以防止因气馈造成档板和喷嘴的损伤，而降低动静态性能，使工作寿命缩短。此外，永磁式力矩马达中电磁铁的材料采用超磁致伸缩材料，可以提高电液伺服阀的动态响应特性。 0 A5 j( P7 m( w" {" R: b
3.测试方面。在对电液伺服阀的动静态特性进行测试时，测量仪器本身的影响、外界电磁信号的干扰等都会对测试结果造成影响，严重时不能正确反映伺服阀的性能。此外，尽可能地提高测量仪器的测量精度，可以更准确地反映伺服阀产品本身的特性，有助于保证整个液压系统的稳定性、快速性及经济性。因此，很多个人及单位对测试仪器、测试技术等做了深人的研究。 f! s! L; g# d; ~/ T
四、结论
" c% i$ N2 ~. ?; D8 E 随着新技术、新材料、新工艺的应用，伺服控制系统越来越高的性能要求，电液伺服阀获得了长足的进步，但是这还远远不够。未来电液伺服阀的设计研制会朝着标准化、虚拟化、智能化、数字化、微型化和绿色化的方向发展。 |
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发表于 2012-3-18 13:52:50
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