喷嘴挡板式电液伺服阀综述

若景致如画

喷嘴挡板式电液伺服阀综述

摘要：射流管式和喷嘴挡板式电液伺服阀是目前应用最普遍的两级流量控制伺服阀，本文简要阐述了喷嘴挡板式电液伺服阀的研究现状，并分析和展望了该类阀的发展趋势。通过分析喷嘴挡板式电液伺服阀的工作原理和结构，详细进行了伺服阀的故障分析并提出了一些改进和优化措施。

关键词：伺服阀    喷嘴挡板式    研究现状    故障分析     发展趋势   

    电液伺服阀是液压伺服系统中的核心控制元件，起着液压和电气的纽带作用，主要有喷嘴挡板式、射流管式、射流式等类型。双喷嘴挡板式电液伺服阀具有控制精度高、响应速度快、死区小、运动平稳和结构紧凑等优点，在冶金和军工领域均被广泛的应用。但是，由于双喷嘴挡板电液伺服阀还具有应用场合重要、技术难度高、加工工艺复杂、对油液精度要求较高、出现问题难处理等一系列的特点，所以还需进一步研究更可靠和有效的新型式。目前国内外对双喷嘴挡板电液伺服阀的研究主要集中在优化结构参数、采用新材料和新的内部结构等方面。

1.  喷嘴挡板式电液伺服阀的研究现状

目前对喷嘴挡板式电液伺服阀的研究主要集中在结构及加工工艺的改进、材料的更替及测试方法的改变。

1.1结构的改进

利用冗余技术对喷嘴挡板式电液伺服阀的结构进行改造。由于伺服阀是伺服系统的核心元件，其优劣将直接影响伺服系统的水平，伺服阀的可靠性是伺服系统中最重要的一个环节。而污染时导致伺服阀失效的最主要的原因，因此国内外的许多厂家都对伺服阀的结构做了改进，先后发展出各种抗污染性较高的新结构。我国的航天系统有关单位也早在20世纪90年代就已经进行三余度等多余度伺服机构的研制，将喷嘴挡板式电液伺服阀的力矩马达、反馈元件、滑阀副做成多套，发生故障时可随时切换，保证系统的正常工作。此外，多线圈结构、带零位保护装置、外接式过滤器的型式的喷嘴挡板式电液伺服阀也已在冶金、电力、塑料凳行业得到广泛的应用。

1.2加工工艺的改进

采用新型的加工设备和工艺来提高喷嘴挡板式电液伺服阀的加工精度及能力。如在阀芯阀套配磨方法上，上海交通大学和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，更直接的反应了所测滑阀副的实际情况，提高了测量结果的准确性和精度。在力矩马达的焊接方面，中船重工第七0四研究所采用了直接上最先进的焊接工艺取得了良好的效果。另外，哈尔滨工业大学还研制出智能化的伺服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。

1.3材料的更替

除了对某些零件采用了强度、弹性、硬度等机械性能优越的材料外，还对具有特别用途的喷嘴挡板式电液伺服阀采用特殊的材料。如德国有关公司用红宝石材料制作喷嘴挡板，防止因气溃造成挡板和喷嘴的损伤，而降低动静态性能，是工作寿命缩短。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。此外，对密封圈的材料也进行了更替，使喷嘴挡板式电液伺服阀耐高压、耐腐蚀的性能得到提高。

1.4测试方法的改进

随着计算机技术的高速发展，生产单位均采用计算机技术对喷嘴挡板式电液伺服阀的静、动态性能进行测试与计算。还有一些单位针对如何提高测量精度，降低测量仪器本身的振动、热噪声和外界的高频干扰对测量结果的影响，作了深入的研究。如采用测频测周法、寻求信号测试法、小波消噪法、正弦输入法及数字滤波等新技术对喷嘴挡板式电液伺服阀的测试设备及方法进行了改造和研制。

2.  喷嘴挡板式电液伺服阀的原理分析

喷嘴挡板式两级力反馈电液伺服阀第一级液压放大器为双喷嘴挡板阀，由永磁动铁式力矩马达控制，第二级液压放大器为四通阀，阀芯位移通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，构成滑阀位移力反馈回路。

   无控制电流时。衔铁由弹簧管支承在上下导磁体的中间位置，挡板也处于两喷嘴的中间位置，滑阀阀芯在反馈杆小球的约束下处于中位，阀无液压输出。当有差动控制电流输入时，衔铁上产生力矩。使衔铁挡板组件绕弹簧管转动中心偏转，弹簧管和反馈杆变形，挡板偏离中位。这时，喷嘴挡板阀左

右间隙发生变化，引起滑阀左右两腔产生压力差推动滑阀阀芯移动。当弹簧管和反馈杆变形产生的反力矩与电磁力矩相平衡时，衔铁挡板组件便处于一个平衡位置。在反馈杆端部进一步变形时，使挡板的偏移减小趋于中位，这使滑阀两腔的控制压力反向变化，当阀芯两端的液压力与反馈杆变形产生的反作用力以及滑阀的液动力相平衡时，阀芯停止运动，其位移与控制电流成比例。当负载压差一定时，阀的输出流量也与控制电流成比例。所以这是一种流量控制伺服阀。

通过对喷嘴挡板式电液伺服阀的原理和结构进行分析，可以总结出喷嘴挡板式电液伺服阀具有以下主要优点：

1）  衔铁与挡板工作于中位附近，线性度好；

2）  结构对称，采用差动方式工作，灵敏度高；

3）  阀芯基本处于浮动状态，不易卡住；

4）  运动部分惯性小，动态响应快；

5）  温度和压力零漂小。

   另外，双喷嘴挡板式电液伺服阀也存在一些缺点：

    1）喷嘴与挡板间隙小，易被脏污堵塞，对油液清洁度要求较高，抗污染能力差；

2）内部泄漏流量大，功率损失大；

3.喷嘴挡板式电液伺服阀的故障分析

液压伺服系统主要用于设备的高精准控制，液压系统的失效往往将会导致整个设备处于瘫痪状态，所以找到快速准确的判断液压伺服系统工作状态的方法是很有必要的。喷嘴挡板式电液伺服阀的故障常常是在电液伺服系统调试或工作不正常的情况下发现的，以下就是对喷嘴挡板式电液伺服阀的故障的分析。

发生在喷嘴挡板式电液伺服阀的故障主要有：

1）阀不工作   马达线圈断线、脱焊，进出油口接反，马达线圈串并联时接反导致两线圈形成的磁作用力抵消都可能会引起这一故障的发生。

2）有使阀失控的固定输出    前置级喷嘴堵死，阀芯被脏污卡着，阀体变形引起阀芯卡死，内部保护过滤器堵死等会引起该故障的发生。

3）阀反应迟钝响应变慢    系统供油压力低，阀调零机构松动，执行动力元件内泄漏过大，油液太脏使阀分辨率变差和滞环增宽等都可能引起该故障。

4）系统出现高频振动及噪声    油液中混入大量空气，系统增益调的过高，颤振信号大或由系统频率关系引起的谐振现象都是引发这一故障的原因。

4. 喷嘴挡板式电液伺服阀的发展趋势

目前，新型喷嘴挡板式电液伺服阀的发展趋势主要体现在新型材料的采用和数字化、电子化技术与液压技术的结合等方面。

4.1新型材料的采用

当前在喷嘴挡板式电液伺服阀研制领域的新型材料的应用，主要是以压电元件、超磁致伸缩材料及记忆合金等为基础的转换器的研制开发。

4.1.1 压电元件

压电元件的主要材料为压电陶瓷和电致伸缩材料等。目前压电式电机转化器的研制已经比较成熟并且也已得到广泛的应用，它具有频率响应快的特点，喷嘴挡板式电液伺服阀频宽甚至能达到上千赫兹，但是也有滞环大、易漂移等缺点，制约了压电元件在喷嘴挡板式电液伺服阀上的进一步应用。

4.1.2超磁致伸缩材料

超磁致伸缩材料与传统的磁致伸缩材料相比，在磁场的作用下能产生相对大得多的长度或体积变化。就目前情况来看，超磁致材料和压电材料与传统磁致材料相比，具有应变大、能量密度高、响应速度快、输出力大等优点。超磁致材料技术水平现在正快速发展，已由实验室研制阶段逐渐进入市场开发阶段。当然，今后还需解决该材料的热变形、材料腐蚀性、磁晶各向异性及参数匹配、制造工艺灯方面的一些问题，以利于在高科技领域被广泛采用。

4.1.3 形状记忆合金

形状记忆合金具有形状记忆功能，将其经过高温定性后再冷却到低温状态，会恢复原来的形状。利用该特性研制的喷嘴挡板式电液伺服阀是在阀芯两端加一组有形状记忆合金绕制的执行器，通过加热和冷却的方式驱动执行器，使阀芯两端的形状记忆合金伸长或收缩来驱动阀芯移动，同时加入位置反馈提高喷嘴挡板式电液伺服阀的控制性能。形状记忆合金虽然变形量大，但其响应速度较慢，且变形不连续，所以也就限制了它的应用范围。

与传统喷嘴挡板式电液伺服阀相比，采用新型材料的电机转换器研制的喷嘴挡板式电液伺服阀，普遍具有高频响、高精度、结构紧凑的优点。

4.2 数字化和电子化的应用

随着各项技术水平的发展，研制出机械、电子、传感器及计算机自我管理为一体的智能化新型喷嘴挡板式电液伺服阀。该类伺服阀可按照系统的需要确定控制目标。伺服阀的控制参数如流量增益、零点等都可根据控制性能最优化原则进行设置。伺服阀的诊断信息和关键控制参数可及时反馈到主控制器，可远距离对伺服阀进行监控、诊断和遥控。

5．结论

   喷嘴挡板式电液伺服阀具有结构简单、响应快、分辨率高、无电磁干扰、易于控制等优点。由于其性能的优越性因此应用非常广泛，可满足现代精密控制系统的需要。当前的液压伺服控制技术已经将自动控制技术、液压技术与微电子技术有机的结合起来，形成了新一代的喷嘴挡板式电液伺服阀产品。

参考文献：

【1】    王春行  液压伺服控制系统  机械工业出版社 1999.5

【2】    刘国华 花蓉 新型功能材料驱动的高性能电液伺服阀  合肥工业大学学报 2005

【3】    李其朋  丁凡  电液伺服阀技术研究现状及发展趋势   工程机械  2003.6

【4】    田源道  电液伺服阀技术  航空工业出版社  2008

【5】    李德新 液压系统故障诊断与维修    中国电力出版社   2009.8

学院：能源与动力工程

专业：机械电子工程

姓名：赵春玲

学号：122080202001