射流管伺服阀的原理特性及应用

射流管伺服阀的原理特性及应用摘要：射流管伺服阀是射流管伺服系统中的核心元件。它承担着电气部分和液压部分的桥梁作用,能将几毫安的微弱电控信号转换成几十马力以上的液压功率输出,驱动各样的负载,进行位置控制、速度控制和施力控制等。论述了射流管伺服阀结构原理，分析了射流管伺服阀特点与国内外研究现状，介绍了射流管伺服阀在相关领域的应用，提出了射流管伺服阀的发展趋势。为研发人员设计射流管伺服阀提供了借鉴。关键词：射流管伺服阀；原理；研究现况；应用；发展趋势中图分类号:TH137.53+1文献标志码：APrincipleandapplicationofjetpipeservovalveTangYue（CollegeofmechanicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,ZhejiangHangzhou）Abstract:jetpipeservovalveisthekeycomponentofelectro-hydraulicservosystem.Itplaysaroleasabridgeofelectricpartandhydraulicpart,theweakelectricalcontrolsignalisconvertedintoafewmilliampshydraulicpoweroutputhorsepowermorethandozensofkinds,drivingload,positioncontrol,speedcontrolandforcecontroletc..Discussestheprincipleofjetpipeservovalvestructure,analysisandresearchstatusofjetpipeservovalvecharacteristics,introducestheapplicationofjetpipeservovalveintherelevantfield,putforwardthedevelopmenttrendofjetpipeservovalve.Itprovidesreferenceforthedesignofjetpipeservovalve.Keywords：jetpipeservovalve；principle；researchstatus；application；developmenttrend1、前言电液伺服阀是电液伺服系统中的核心元件。它承担着电气部分和液压部分的桥梁作用，能将几毫安的微弱电控信号转换成几十马力以上的液压功率输出，驱动各样的负载，进行位置控制、速度控制和施力控制等。从图中可见，在电液伺服控制系统中，输入指令通过放大器转换成控制信号传递给电液伺服阀，电液伺服阀将电信号转换成相应的液压功率输出，驱动执行机构进行相应动作。反馈传感器检测相应反馈信号并输入伺服阀放大器与输入信号作比较，其差值经放大后输出给电液伺服阀控制执行机构运动直到输入信号与反馈信号一致为止。可见，电液伺服阀作为一个可靠的桥梁，将机动灵活的“电子脑”(伺服放大器)与强大有力的躯体(执行机构)有力地连接起来。它有机地结合了精密机械、电子技术和液压技术，具有控制精度高、响应快、体积小、重量轻、功率放大系数高和直线性好等优点，是用途极为广泛的军民结合的典型高精度液压自动控制元器件。由于电液伺服阀在电液伺服控制系统中起着犹如，’J自脏”的作用，所以在国内外受到特别重视。电液伺服阀的种类比较多，分类方法也较多，有按输出液压模拟量分的；也有按级数分的。根据输出液压模拟量基本分为电液流量伺服阀和电液压力伺服阀两大类。简称为“流量伺服阀”和“压力伺服阀”。而按级数可分为单级伺服阀、两级伺服阀、三级伺服阀。目前国内伺服阀中使用较多的为两级伺服阀，其中前置级为喷嘴挡板式的喷嘴挡板伺服阀与前置级为射流管式的射流管伺服阀使用最为普遍。然而喷嘴挡板伺服阀由于其抗污染性较差，正逐渐被射流管伺服阀替代。射流管伺服阀具有抗污染性能好、高可靠性、高分辨率等特点，在国外的军用领域及可靠性要求较高的民航、发电场合使用非常广泛。但由于其结构复杂、加工难度高、性能不易预测、设计制造困难且国外一直进行技术封锁等原因，国内发展比较缓慢。2、射流管伺服阀原理射流管电液伺服阀是力反馈两级流量控制阀，其结构原理见图2.1。力矩马达采用永磁结构，弹簧管支承着衔铁射流管组件，并使马达与液压部分隔离，所以力矩马达是干式的。前置级为射流放大器，它由射流管与接受器组成。当马达线圈输入控制电流，在衔铁上生成的控制磁通与永磁磁通相互作用，于是衔铁上产生一个力矩，促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩的小角度。经过喷嘴高速射流的偏转，使得接受器一腔压力升高，另一腔压力降低，连接这两腔的阀芯两端形成压差，阀芯运动直到反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡，使喷嘴又回到两接受器的中间位置为止。这样阀芯的位移与控制电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于控制电流了[1]。图2.1CSDY型伺服阀结构原理图3、射流管伺服阀特性3.1抗污染性射流管伺服阀是靠射流喷嘴喷射工作液，将压力能变成动能，控制两个接受孔获得能量的比例来进行力的控制。这种方式的阀射流喷嘴大，由污粒等工作液中杂物引起的危害小，抗污染能力强。且射流管式液压放大器的压力效率及容积效率高，一般为70%以上，有时也可达到90%以上的高效率，输出控制力(滑阀驱动力)大，提高了抗污染能力。其次由于射流管式先导级比喷嘴挡板式的控制力大，所以射流管式伺服阀阀芯的直径和行程，比喷嘴挡板式的大而长，故其驱动力也越大，即使有一点杂物和污粒，滑阀级也能顺利工作，进一步提高了抗污染能力。自动化程度越高的系统对其关键控制元件的可靠性要求也高。众所周知，油液的污染度始终是液压控制系统的致命伤。MOOG公司的(伺服射流管)先导控制技术在这一方面取得了可喜进展[2]。在保证先导阀的控制流量，控制功率及响应频率不变甚至更优的前提下，servojet(伺服射流管)内部的关键间隙尺寸与传统的喷嘴挡板阀相比几乎提高了一个数量级，这使得servojet(伺服射流管)伺服阀的整体可靠性有了极大提高。目前在矿山机械行业，servojet(伺服射流管)伺服阀已经开始全面取代传统的MFB双喷嘴挡板机机械反馈式电液伺服阀。3.2可靠性由于射流管是在喷嘴的下游进行力控制，当喷嘴被杂物完全堵死时，因两个接受孔均无能量输入，滑阀阀芯的两端面也没有油压的作用，反馈弹簧的弯曲变形力会使阀芯回到零位上，伺服阀可避免过大的流量输出，具有“失效对中”能力，并不会发生所谓的“满舵”现象。另外其先导级在工作时会产生磨蚀，与喷嘴挡板式比较，其磨蚀的产生与性能变化的程度低于喷嘴挡板阀，其接受器的尖边即使经高压油长期冲刷凹陷下去，但仍有分水岭的作用，只要其与喷嘴的距离不大于喷嘴直径的3.5倍，对伺服阀性能的影响非常小。射流管式伺服阀的力矩马达零件全部采用压配及焊接结合成一体，并经严格的时效处理消除内应力，结构牢固稳定，零位漂移小，更能承受强冲击及振动。根据上述，说明其具有较高得稳定性、可靠性。高于双喷嘴挡板阀[3]。3.3使用寿命射流管阀的使用寿命按一般标准规定为5000h或107次，实际寿命统计数据较少。国外有1971年统计的波音公司对9000台ABEX410伺服阀7年时间追踪调查，其结果详见表3.1表3.1410射流管伺服阀实际使用情况注:84个故障中，83个因密封圈年久老化漏油所致，而阀性能良好。根据此表射流管伺服阀的平均检测时间为35700h，平均故障间隔时间为115000h。而在工业使用场合，像飞机上那样准确记录的不多，不过也有在汽轮机调速器上使用的射流管伺服阀，在8年间无故障运行时间约63000h，并有在继续使用的例子[4]。4、国内外发展现况4.1国外射流管伺服阀发展在二战前夕，随着各国工业技术发展的需要，液压控制技术出现了突飞猛进地发展，射流管电液伺服阀原理及喷嘴挡板电液伺服阀原理均是当时发明的。到二战末期，随着控制理论的成熟及军事应用的需要，伺服阀的研制和发展取得了巨大成就。1953年至1955年间，发明了机械反馈式两级电液伺服阀及双喷嘴两级电液伺服阀；1957年发明了射流管两级电液伺服阀[5]。射流管电液伺服阀是美国五十年代末，由当时的Abex公司根据在低压自控系统中长期使用射流管的经验研制生产而来的，由于当时的射流管技术在高压上还存在一些问题，且主要靠试验摸索，某些性能还不如当时的美国Moog公司生产的喷嘴挡板电液伺服阀，所以在推广使用方面进展较慢。直到六十年代，在解决了技术关键，提高了产品性能后，尤其在美国的军用飞机和民航客机以及各发电设备使用后，才迅速发展成为世界上电液伺服阀三大名牌产品之一，其主要型号为Abex400系列等。从国外发表的文献上可得，到1971年8月，世界上的上百家民航公司就使用了9000个以上的Abex41O伺服阀，其民航主要使用对象如下表1在军用飞机上Abex射流管伺服阀的使用情况不得而知，但曾在越南战场被打下的F-4鬼怪式战斗机上发现过Abex410型射流管伺服阀[6]。Abex公司并入Parker公司后，其射流管伺服阀型号改为Parker400系列，广泛应用于航空领域，在近几年的航空展上，均能在Parker公司的展台上看到射流管伺服阀的身影。目前能了解到得主要应用场合如表2。日本从七十年代开始重视射流管电液伺服阀的研制生产，为了给制造Abex射流管伺服阀创造条件，还曾大量购进Abex的射流管伺服阀并低价推销使用，以便取得用户的信任后投入生产。不久，日本的岛津公司就成为Abex公司射流管伺服阀的主要生产商之一。世界上最大的伺服阀生产商美国Moog公司在六十年代前一直生产喷嘴挡板伺服阀。从七十年代起，为了进一步提高电液伺服阀的稳定可靠性和寿命，研制了自己的射流管伺服阀产品，其主要型号为:208A、2llA、214、215A、218、225A、225B、231、240、242、261等。由于该产品属军品，并未对国内推广，对产品使用场合了解不多。而MTS、HONEYWELL等公司的射流管式电液伺服阀亦已广泛应用于航空、航天等高端领域，由于保密的原因，相关情况了解不多，只是从最近解密的美国空军的电液伺服阀和电液伺服机构的研究报告及进口的国外发动机上了解其应用情况。在欧洲目前了解到的生产射流管伺服阀的公司为IN-LHC公司，生产射流管伺服阀的规格型号特别多，广泛运用于航空、航天及工业场合。其用于航空场合的情况如表3。此外俄罗斯也研制了自己的射流管伺服阀，并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，此种两余度技术已广泛的应用于该国苏-27飞机、运载火箭各航空航天行业。4．2国内射流管伺服阀发展国内电液伺服阀的发展起始于五十年代末，当时北京机床研究所曾研制过以日本精密株式会社的3F伺服阀为原型的喷嘴挡板电液伺服阀，后因故停产。六十年代初，当时的七机部(航天部)根据得到的美国未爆炸导弹上的伺服阀，研制了喷嘴挡板电液伺服阀并应用到火箭和导弹的控制系统中。目前喷嘴挡板电液伺服阀在国内军民品市场的应用比较广泛，研制生产的单位亦较多。主要为:中航工业第六〇九研究所、中航工业第六一八研究所、航天十八所、航天八一二所、陕西秦峰液压有限责任公司、北京机床所精密机电有限公司等[7]。国内射流管电液伺服阀的研制起始于六十年代末，由当时三机部(航空部)长春一一三厂等单位联合研制，并研制出一台样机，后因种种原因停产。中航工业第六〇九研究所是目前国内生产电液伺服阀产量最大的企业，当时在确定该企业伺服阀的发展方向时，曾对射流管电液伺服阀和喷嘴挡板电液伺服阀的特点作了分析。认为:喷嘴挡板电液伺服阀具有性能优良、线性好、零漂小等优点，虽有喷挡间隙小易堵塞等缺点，但可以通过提高系统过滤精度等方法来解决。而射流管电液伺服阀虽有抗污染能力强、失效对中等优点，但在工艺上存在一定难点，故当时重点的发展目标为喷嘴挡