电液伺服阀的优化设计

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电液伺服阀的优化设计

摘 要：电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。它的控制精度高、响应速度快，是一种高性能的电液控制元件。根据电液伺服阀的实际结构参数，通过数学建模获得了静、动态流量特性方程,运用仿真软件对数学模型进行仿真，得到电液伺服阀闭的动态特性，通过分析电液伺服阀动态性能的变化，最终达到改善参数、优化性能的目的。

关键词：电液伺服阀；动态性能；静态性能；参数优化

一、研究现状

电液伺服阀是液压伺服系统中的核心控制器件，起着连接液压和电气的纽带作用，其代表性产品有喷嘴挡板式、射流管式、射流式和动圈滑阀式等类型。从可靠性角度分析，伺服阀的可靠性是伺服系统中最重要的一环。由于伺服阀中的液压油被污染是导致伺服阀失效的最主要原因。对此，国外的许多厂家对伺服阀结构作了改进，先后发展出了抗污染性较好的射流管式、偏导射流式伺服阀。而且，俄罗斯还在其研制的射流管式伺服阀阀芯两端设计了双冗余位置传感器，用来检测阀芯位置。一旦出现故障信号可立即切换备用伺服阀，大大提高了系统的可靠性。美国的Moog公司和俄罗斯的沃斯霍得工厂均已研制出四余度的伺服机构用于航天行业。我国的航天系统有关单位早在90年代就已进行三余度等多余度伺服机构的研制，将伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障可随时切换，保证系统的正常工作。

另外在加工工艺改进方面，通过采用新型的加工设备和工艺来提高伺服阀的加工精度，如在阀芯阀套配磨方法上，上海交通大学、哈尔滨工业大学均研制出了智能化、全自动的配磨系统。特别是哈尔滨工业大学的配磨系统改变了传统的气动配磨的模式，采用液压油作为测量介质，更直接地反应了所测滑阀副的实际情况，提高了测量结果的准确性与精度。另外，哈尔滨工业大学还研制出智能化的伺服阀力矩马达弹性元件测量装置。解决了原有手动测量法中存在的测量精度低、操作复杂、效率低等问题。对弹性元件能高效完成刚度测量、得到完整的测量曲线，大大降低了不重复性测量误差。对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能更优越的材料外，还对特别用途的伺服阀采用了特殊的材料。如德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴档板，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。机械反馈杆头部的小球也用红宝石制作，防止小球和阀芯小槽之间的磨损，使阀失控，并产生尖叫。航空六0九所、中船重工第七O四研究所等单位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油为介质的耐腐蚀伺服阀。此外对密封圈的材料也进行了更替，使伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。

二、方法

优化结构参数、采用新材料和新内部结构等，而电液伺服阀的动态性能是由液压系统的工况和伺服阀的结构参数决定的，优化伺服阀的结构参数对改善伺服阀的动态性能、提高伺服阀的响应速度具有重要的意义。在电液伺服阀的部分结构上, 主要从余度技术、结构优化和材料的更替等方面进行改造, 以提高相关性能。采用三余度技术的电液伺服作动系统将伺服阀的力矩马达、喷嘴挡板阀、系统的反馈元件等做成一式三份, 若伺服阀线圈有一路断开, 而系统仍能够正常工作, 且有系统动态品质性能基本不变, 从而提高了伺服作动系统的可靠性和容错能力。在结构的改进上, 针对阀出现的故障提出改进措施, 进行结构优化, 以满足其相关性能的要求。从材料方面考虑, 阀的某些元件采用了强度、塑性、韧性、硬度等机械性能优良的材料,既可以减少故障, 又让阀具备良好的动态性能。

三、存在的问题

国内在研究、生产和使用电液伺服阀方面虽然已初具规模, 型号品种也基本相当于国外大部分产品, 但由于各自为政、力量分散, 标准不很规范, 十分不利于伺服阀的进一步发展。因此, 着重解决标准化问题已成当务之急。

另外，电液伺服系统普遍采用磷酸酯抗燃油，由于这类油是一种人工合成的物质，在使用过程中极易劣化，主要表现为污染颗粒度的增加和酸值升高。伺服阀是一种很精密的元件，对油脂污染颗粒度的要求很严，一般要求达到NAS1638----5级，酸值应小于0.2mgKOH/g，抗燃油污染颗粒度增加，极易造成伺服阀卡涩，同时，使阀芯的磨损、泄露增加。酸值升高，对伺服阀部件产生腐蚀作用，特别是对伺服阀阀芯及阀套锐边的腐蚀，这是造成伺服阀增加泄露的主要原因。

最后，电液伺服阀的寿命还远没有达到人们的预期值，还有控制精度，动态响应等方面存在一些问题，自适应能力不强，因此，优化伺服阀的结构参数对改善伺服阀的动态性能、提高伺服阀的响应速度具有重要的意义。

四、总结

    （１）伺服阀动态性能与很多参数相关，必须在仿真前确立系统的目标函数，只有将耦合度降至最低，才能求出目标函数对系统的影响。

（２）以增大伺服阀的频宽来提高响应速度，但增幅有限，因为受到稳定性的制约，当无限增大时，伺服阀稳定性就会降低。

（３）选择电液伺服阀的结构参数作为设计变量，以系统稳定性、快速性、稳态误差最小为目标函数，建立伺服阀机构优化模型，从而达到伺服阀参数优化的目的。

（4）发展内藏式传感器和带有计算机、自我管理机能( 故障诊断、故障排除) 的智能化伺服阀,进一步开发故障诊断专家系统通用工具软件, 实现自动测量和诊断。还应开发自补偿系统, 包括自调整、自润滑、自校正, 这有助于提高阀的寿命。

参考文献:

［1］　方群，黄增．电液伺服阀的发展历史、研究现状和发展趋势［Ｊ］.机床与液压，2007，35（11）:162——165.

［2］　王春行．液压控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，2000:90—97．

［3］  付永领, 裴忠才, 王占林. 伺服作动系统的余度控制[J].北京航天航空大学学报, 1999, 25(5):531- 534.

［4］　王幼民．电液伺服阀结构参数优化［Ｊ］.安徽机电学院学报：自然科学版，2002，17(2)：13—16.

学院：能源与动力工程学院

专业: 机械电子工程

姓名：柴红强

学号：122080202003