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摘要

到2016年為止，第一個(gè)關(guān)于兩級(jí)電液伺服閥的專利已經(jīng)過去了70年，而雙噴嘴擋板伺服閥專利的授權(quán)也過去了60年。本篇文章主要回顧在那個(gè)時(shí)代關(guān)于伺服閥的一些設(shè)計(jì)，特別兩級(jí)電液伺服閥。單級(jí)閥，也就是直動(dòng)式或者比例閥的發(fā)展，在工業(yè)上而不是航空方面的應(yīng)用，也做了簡(jiǎn)單回顧。接著，討論了目前關(guān)于伺服閥技術(shù)的一些研究，特別是壓電驅(qū)動(dòng)以及增材制造。

1. 介紹

伺服閥是閉環(huán)電液運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要元件。“伺服閥”是指主閥芯位置與電信號(hào)成比例，而閥芯運(yùn)動(dòng)是由內(nèi)部液動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的。閥芯的運(yùn)動(dòng)改變節(jié)流口的大小，因此控制了流量；然而，流量取決于節(jié)流口壓差，除非使用了壓力補(bǔ)償器。最常見的伺服閥設(shè)計(jì)就是帶機(jī)械反饋的兩級(jí)噴嘴擋板伺服閥（圖1）。

圖1 兩級(jí)噴嘴擋板伺服閥

主要元件有：

• 力矩馬達(dá)作為電氣與機(jī)械的轉(zhuǎn)換器，由彈簧管支撐，其無摩擦偏轉(zhuǎn)，隔離了力矩馬達(dá)與液壓油（圖2a）。

• 擋板由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可以限制通過噴嘴的流量（圖2b）；擋板行程~0.1mm。也可以用單個(gè)噴嘴（圖2c），其只能用于調(diào)節(jié)閥芯一側(cè)的壓力。但是由于液動(dòng)力的不平衡，其對(duì)力矩馬達(dá)有更高的要求。

• 第一級(jí)形成H型液壓橋式回路，其中一對(duì)噴嘴是可變節(jié)流器，當(dāng)擋板偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)在閥芯兩端產(chǎn)生壓差。

• 反饋彈簧桿帶動(dòng)閥芯移動(dòng)（行程大約~1mm），直到擋板的反饋力與力矩馬達(dá)的力相平衡，擋板將再回到中心位置。

圖2 噴嘴擋板先導(dǎo)級(jí)元件

伺服閥既是一個(gè)功率放大器，也是一個(gè)電氣與液壓的轉(zhuǎn)換器。電氣輸入功率一般約0.1W，經(jīng)過先導(dǎo)級(jí)放大之后，液壓輸出功率約達(dá)10W，經(jīng)過主閥芯轉(zhuǎn)換之后液壓輸出功率可達(dá)10kW。因此閥的功率放大因子達(dá)到105。對(duì)于一個(gè)三級(jí)閥，小閥芯驅(qū)動(dòng)大閥芯，且?guī)щ姎馕恢梅答仯梢赃M(jìn)一步帶來另外100倍的功率放大。如果是4級(jí)閥，放大因子也是同此道理。

2. 發(fā)展歷程

初期的電液伺服閥主要是為軍事用途而開發(fā)，如用在二次世界大戰(zhàn)的自動(dòng)火炮瞄準(zhǔn)。這類伺服閥典型的包含了電磁驅(qū)動(dòng)閥芯，并帶閥芯彈簧對(duì)中。主要用于流量控制，但是控制精度很低，響應(yīng)也很慢。Tinsley工業(yè)儀表公司（倫敦）申請(qǐng)了第一個(gè)兩級(jí)伺服閥專利（圖3）。電磁鐵（34）驅(qū)動(dòng)第一級(jí)帶彈簧對(duì)中的閥芯（47），其驅(qū)動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的主級(jí)（51），通過凸輪（54）把其位置反饋到第一級(jí)，反饋彈簧（59）把位置轉(zhuǎn)換為力。

圖3 Tinsley1946年發(fā)明的兩級(jí)閥：

電磁鐵 (34); 先導(dǎo)級(jí)閥芯 (47); 主級(jí) (51); 反饋凸輪 (54); 反饋彈簧 (59)?

伺服閥在20世紀(jì)50年代得到了迅猛發(fā)展，主要是因?yàn)楹娇展I(yè)（特別是導(dǎo)彈）的需求在驅(qū)動(dòng)。技術(shù)狀態(tài)的發(fā)展和產(chǎn)品的系列化都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。1955年，在美國的Bell,Bendix, Bertea, Cadillac Gage, Drayer Hanson, GE, ?Hughes,?Hydraulic? Controls,? MIT,?Midwestern? Geophysical? Labs,?Honeywell,? Moog, ?North?American? Aviation,? Peacock,?Pegasus,? Raythoen,? Sanders,?Sperry,? Standard Controls 和Westinghouse等公司，伺服閥被制造（至少是樣機(jī)）出來。大家意識(shí)到，單級(jí)直接驅(qū)動(dòng)電磁閥主閥芯僅限于低流量，主要是因?yàn)殡姶帕^小，不足以克服摩擦力，慣性力以及液動(dòng)力。增加電磁執(zhí)行器件的尺寸固然可以提高電磁力，但是由于電磁元件質(zhì)量的增加以及更高的線圈電阻都會(huì)減小動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

兩級(jí)閥主要使用噴嘴擋板或者更小的滑閥作為先導(dǎo)級(jí)，雖然當(dāng)時(shí)射流管已經(jīng)出現(xiàn)，但被認(rèn)為響應(yīng)慢一些而主要用于工業(yè)而非航空用途。噴嘴擋板閥，無論是單噴嘴還是雙噴嘴，從1920年之后，都已經(jīng)很好的應(yīng)用于氣動(dòng)控制系統(tǒng)，如Foxboro公司所制造的。第二級(jí)（或主級(jí)）有時(shí)采用彈簧對(duì)中，或者由內(nèi)部的反饋，驅(qū)動(dòng)主閥芯，使其與電氣輸入信號(hào)成比例。主閥芯位置反饋要么機(jī)械的，通過反饋彈簧桿加載電磁驅(qū)動(dòng)力（力反饋），或者電氣上即主級(jí)閥芯上使用位移傳感器。液壓反饋，通過負(fù)載壓力與第一級(jí)壓力的比較，用于壓力控制應(yīng)用。

部分制造商兩級(jí)流量控制閥的清單見表1。由表可見，不同制造商，其電磁驅(qū)動(dòng)、先導(dǎo)級(jí)和主級(jí)反饋等，都不是完全一樣的。其中一些在圖4和圖5中解釋。

表1: 1955年開始的伺服閥設(shè)計(jì)?

圖4：1955年開始的噴嘴擋板設(shè)計(jì)

圖5: 1955年開始的先導(dǎo)級(jí)滑閥設(shè)計(jì)

液壓控制閥的最初設(shè)計(jì)是在MIT，并在由Blackburn，Reethof和Shearer合著的書上有詳盡的描述。這本書是在50年代，由MIT員工給工業(yè)領(lǐng)域的工程師培訓(xùn)的一個(gè)課程。這種閥顯示，電氣位置反饋可以做得很有效，因此也帶動(dòng)了扭矩馬達(dá)的發(fā)展。

Cadillac Gage FC-2 閥 (圖 4b)值得我們注意的，它是兩級(jí)閥的先驅(qū)，后來也成為了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：它在先導(dǎo)級(jí)把力矩馬達(dá)與噴嘴擋板結(jié)合起來(雖然是單噴嘴)，主閥芯的機(jī)械力反饋采用反饋彈簧桿。

Moog閥（圖4a）最初由W.C.(Bill)Moog在康奈爾航空實(shí)驗(yàn)室（Cornell AeronauticalLaboratory）設(shè)計(jì)，并用于航空與導(dǎo)彈發(fā)射控制應(yīng)用。Moog帶來了大量實(shí)際的提高。通過彈簧管支撐力矩馬達(dá)，使得彈簧管偏置時(shí)更輕，摩擦力更小，減小了閥的閾值，提高了分辨率。1953年Moog獲得了此項(xiàng)專利之后，又開始申請(qǐng)其它方面的專利，即改變單噴嘴設(shè)計(jì)的缺陷，提出了采用雙噴嘴擋板的機(jī)構(gòu)，以消除其對(duì)供油壓力的敏感。

一個(gè)通常的故障就是磁性顆粒被油液帶入聚集在力矩馬達(dá)，這在Series 2000閥上第一次得到了解決，即通過把力矩馬達(dá)和油液隔離開來。貝爾航空（BellAerospace）在1953年申請(qǐng)了此項(xiàng)專利。

到1957年為止，約另外17項(xiàng)閥的新設(shè)計(jì)出現(xiàn)了，并被美國空軍評(píng)估，包括制造商Boeing,? Lear,?Dalmo? Victor, Robertshaw? Fulton,?Hydraulic ?Research,? Hagan和National Water。兩級(jí)雙噴嘴擋板閥開始占據(jù)市場(chǎng)主流。需要注意的是，噴嘴擋板的結(jié)構(gòu)比先導(dǎo)級(jí)采用滑閥的結(jié)構(gòu)制造上更便宜，因?yàn)樗邢葘?dǎo)級(jí)的滑閥都需要采用顫振頻率克服摩擦，有時(shí)甚至是正遮蓋。

下面的設(shè)計(jì)有些新穎的地方：

• Sanders SA17D – 音圈（voice coil）/雙噴嘴擋板/機(jī)械力反饋：所有元件軸向布置。

• Cadillac Gage FC200 – 干式力矩馬達(dá)/雙噴嘴擋板/液壓反饋

• Pegasus? Model? 20 – 音圈（voice coil）或者電磁鐵/雙噴嘴-雙擋板/通過在閥芯端部設(shè)置小孔，實(shí)現(xiàn)機(jī)械位置反饋；雙向?qū)ΨQ版本（見圖4c）

• Hagan – 音圈（voice coil）/ 先導(dǎo)級(jí)滑閥，旋轉(zhuǎn)以減小摩擦/無反饋

同期反饋的技術(shù)問題主要是零漂（雖然主要原因是力矩馬達(dá)的溫度敏感性），噴嘴和擋板的銹蝕，力矩馬達(dá)的非線性（如果設(shè)計(jì)電流過?。?，以及高頻不穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)，只有Moog和Cadillac? Gage有批量生產(chǎn)的閥用于商用目的，Bendix也有很多閥，但只在最終客戶那里進(jìn)行測(cè)試。

3. 工業(yè)閥

到20世紀(jì)50年代底，兩級(jí)機(jī)械力反饋伺服閥已經(jīng)在軍事和航空領(lǐng)域開始應(yīng)用，主要包括航空和導(dǎo)彈飛行控制，雷達(dá)驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)彈發(fā)射，以及伺服液壓系統(tǒng)開始應(yīng)用于太空火箭的發(fā)射。

此時(shí)，伺服液壓可能的工業(yè)應(yīng)用也被人們逐漸意識(shí)到，大量的應(yīng)用包括機(jī)床，注塑機(jī)，汽輪機(jī)，冶金軋機(jī)，以及仿真和測(cè)試工業(yè)的精密控制。一些工業(yè)閥是從航空閥改動(dòng)而來的，比如“73”系列為最早的工業(yè)閥，是由Moog引入的。

工業(yè)閥必須要便宜，易維護(hù)，并包括如下特征：

• 閥體可更大，方便機(jī)加工

• 先導(dǎo)級(jí)獨(dú)立，便于調(diào)整和維護(hù)

• 標(biāo)準(zhǔn)油口尺寸

• 內(nèi)置過濾器，應(yīng)對(duì)工業(yè)過濾略低的標(biāo)準(zhǔn)

  
  

相對(duì)于機(jī)械閥芯位置反饋，電氣反饋可以獲得更高的閉環(huán)增益，從而提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且也可以校正滯環(huán)或者溫度效應(yīng)引起的誤差。機(jī)械反饋閥固有的安全和緊湊對(duì)航空領(lǐng)域來說具有很大的吸引力，但是在工業(yè)閥，從1970年之后開始采用電氣反饋。這其中一個(gè)標(biāo)志性的事件就是Bosch在1973年引入了板式安裝伺服閥，帶射流管，采用霍爾效應(yīng)位置傳感器，更重要的是帶集成電子放大器。

Rexroth, Bosch, Vickers以及其它的液壓制造商均開發(fā)了單級(jí)伺服閥，采用一對(duì)比例電磁鐵控制彈簧對(duì)中的閥芯，開環(huán)控制，其與在20世紀(jì)50年代開發(fā)的單級(jí)閥類似，但是當(dāng)時(shí)被航空工業(yè)應(yīng)用給否決了。通過采用電氣位置反饋和閉環(huán)控制，改善了控制精度以及響應(yīng)時(shí)間。與比例電磁鐵相比，線性力馬達(dá)或者音控線圈執(zhí)行器改善了線性度；80年代，用稀土磁體（Rare earth magnet）代替磁鋼（Alnico magnet），克服了先導(dǎo)級(jí)輸出力大小的局限性。這種直動(dòng)式閥由Moog開發(fā)（圖6），之后Parker也開發(fā)了類似產(chǎn)品，其具有與二級(jí)閥相當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖6：力馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，集成電子

表2示出了典型閥的特性，包括閥芯驅(qū)動(dòng)力型式。高的閥芯驅(qū)動(dòng)力不僅有利于克服液動(dòng)力，加速閥芯運(yùn)動(dòng)，而且可以更好的克服小顆粒污染物的夾雜，從而避免卡閥。

表 2: 典型4通閥的性能參數(shù)@額定流量40L/min（70bar壓降）

4. 新穎的電液伺服閥設(shè)計(jì)

這些年來，各種各樣的關(guān)于閥的設(shè)計(jì)被探索和開發(fā)出來，用以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，減小泄漏，改善維護(hù)性或者提升其它相對(duì)于傳統(tǒng)閥的優(yōu)點(diǎn)。大部分的研究都集中在采用新的方法來改善閥芯驅(qū)動(dòng)，其常常涉及到新材料的應(yīng)用。

4.1? 壓電效應(yīng)執(zhí)行器

當(dāng)電場(chǎng)作用的時(shí)候，壓電陶瓷變形非?？?，但是最大變形量很小，大約只有0.15%。因此，采用堆棧方式的執(zhí)行器（圖7a）實(shí)際上也需要運(yùn)動(dòng)的放大，即使在先導(dǎo)級(jí)（例如擋板運(yùn)動(dòng)大概0.1mm）。矩形彎曲執(zhí)行器（圖7b）可以為先導(dǎo)級(jí)提供足夠的位移，合理的力范圍（10N~100N）。此種彎曲型式的陶瓷層厚度大約20μm，因此電壓大約至50V，可提供足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度。然而，壓電陶瓷材料受制于滯環(huán)（典型的20%），蠕動(dòng)，堆棧執(zhí)行器長(zhǎng)度取決于溫度等因素的影響。由于執(zhí)行器表現(xiàn)得像一個(gè)電容，響應(yīng)速度通常受限于放大器電流的限制。

在1955年關(guān)于閥的調(diào)查中，電機(jī)械轉(zhuǎn)換的執(zhí)行器只有電磁的方式，但也提到“壓電晶體”被用于某些試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以獲取更好的響應(yīng)。然而，到目前為止還是沒有被廣泛接受，由于對(duì)其抗震性能，溫度變化，電氣噪音等的高度懷疑，以及較難從晶體里獲取足夠的位移。壓電晶體的閥在1955已有專利，包括壓電晶體擋板用于雙噴嘴擋板閥，還有傳遞流體的壓電晶體油泵。

圖7：壓電效應(yīng)

采用堆棧方式的執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)閥芯需要一些運(yùn)動(dòng)放大。比如采用靜壓變壓器，內(nèi)充硅橡膠并帶有一定的面積比率。相位滯后-90°的帶寬頻率可達(dá)270Hz，并且在閥芯兩端采用兩個(gè)反向的執(zhí)行器以減小溫度敏感性（圖8）。機(jī)械放大采用連桿的方式（圖9）。

圖 8：閥芯運(yùn)動(dòng)帶靜壓放大壓電堆棧運(yùn)動(dòng)

圖 9：閥芯運(yùn)動(dòng)，帶機(jī)械放大壓電堆棧運(yùn)動(dòng)

采用壓電執(zhí)行器代替二級(jí)閥中的力矩馬達(dá)在眾多的研究中均有報(bào)告。圖10，該伺服閥采用機(jī)械反饋閥移動(dòng)擋板。圖11，一種航空伺服閥，帶反饋桿，采用矩形壓電陶瓷彎曲執(zhí)行器來驅(qū)動(dòng)偏轉(zhuǎn)裝置，發(fā)明者認(rèn)為其在射流管處只會(huì)產(chǎn)生更小的液動(dòng)力。與力矩馬達(dá)相比，其被認(rèn)為壓電陶瓷彎曲執(zhí)行器可以更好加工，更好測(cè)試，以及具有更好的重復(fù)性。在最近的一個(gè)樣機(jī)中，環(huán)形執(zhí)行器被用于先導(dǎo)級(jí)。先導(dǎo)級(jí)是迷你閥，帶正遮蓋以彌補(bǔ)泄漏。采用電氣位置反饋的閥見圖12。

圖10：壓電堆棧，用于兩級(jí)閥

圖 11：壓電矩形彎曲執(zhí)行器，射流管兩級(jí)機(jī)械反饋閥

圖 12：壓電環(huán)形彎曲執(zhí)行器 先導(dǎo)閥芯 兩級(jí)電反饋閥

另外一種采用壓電陶瓷堆棧工作原理的閥如圖13。先導(dǎo)級(jí)的4個(gè)節(jié)流口構(gòu)成H-橋式回路，且均是可調(diào)的，采用汽車燃油噴射，帶40μm行程，-90°的帶寬達(dá)到1kHz以上。

圖 13：獨(dú)立的壓電效應(yīng)控制 先導(dǎo)級(jí)H橋式回路節(jié)流孔

圖14所示的是另外一種提高直動(dòng)式閥的快速響應(yīng)的新理念。采用堆棧技術(shù)，閥芯閥套移動(dòng)范圍+/-20μm，相當(dāng)于傳統(tǒng)的線性力馬達(dá)+/-1mm的移動(dòng)距離。因此，即使在高于60Hz以上的頻寬，也可以實(shí)現(xiàn)很精密的流量控制。

圖 14：雙作用閥 高頻響 長(zhǎng)行程執(zhí)行器

4.2? 其它的一些新設(shè)計(jì)

磁致伸縮是另外一種材料現(xiàn)象，可被用于創(chuàng)造“智能執(zhí)行器”。磁致伸縮閥芯的運(yùn)動(dòng)也已經(jīng)被測(cè)試很多年。它面臨的與壓電陶瓷一樣的挑戰(zhàn)，如有限位移量，滯環(huán)，溫度敏感性等。

4.3? 增材制造

增材制造Additive Manufacturing，俗稱3D打印，給液壓元件的制造帶來新的方法。AM可以用以減輕閥塊的重量，更重要的是提供設(shè)計(jì)者更多的設(shè)計(jì)自由度，因?yàn)椴恍枰紤]一些加工制造的約束。例如圖12所示的壓電效應(yīng)閥，采用激光熔融技術(shù)，用鈦合金制造閥塊。圖15顯示了最終的成品閥，圖16顯示的是AM閥體，圖17示例了CT掃描閥體的內(nèi)部情況。

圖 15：原型 增材制造

圖 16：AM制造閥體細(xì)節(jié)

圖 17：CT掃描閥體

5. 結(jié)論

一些基本的關(guān)于單級(jí)閥或者兩級(jí)閥的設(shè)計(jì)理念在20世紀(jì)50年代中期被提出來的。兩級(jí)的機(jī)械反饋的伺服閥在60年達(dá)開始應(yīng)用于航空，以及一些高性能要求的工業(yè)領(lǐng)域。單級(jí)閥，帶比例電磁鐵或者線性力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)閥芯的，在70年代和80年代作為一種低成本解決方案，開始應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)，并且隨著閥芯位置帶反饋和集成電子的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)。

力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)伺服閥得到了極大的成功應(yīng)用。盡管如此，手工安裝和調(diào)整力矩馬達(dá)始終證明是必須的。在一些應(yīng)用，尋找一些潛在的具有更高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的壓電效應(yīng)伺服閥或者其它材料，吸引越來越多的興趣。盡管60年來，人們沒有停止對(duì)新材料，新技術(shù)的研究，但是力矩馬達(dá)依然繼續(xù)在使用。也許將來，會(huì)出現(xiàn)真正的競(jìng)爭(zhēng)者。

增材制造，特別是在制造量不太大（例如在航空航天）的時(shí)候，消除了閥體和其他液壓元件中的許多制造限制。這將使一些設(shè)計(jì)思想突破物理的限制，而加工制造的潛能將得到進(jìn)一步發(fā)揮。

進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)是伺服閥的智能化。集成自校正功能、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和通信能力的提高是工業(yè)電液伺服閥的發(fā)展趨勢(shì)，也將在航空航天得到應(yīng)用。

應(yīng)該注意的是，閥控液壓系統(tǒng)的面臨的挑戰(zhàn)正在發(fā)生，如采用電液執(zhí)行器（伺服泵控制執(zhí)行器），或泵伺服變量控制的機(jī)器更節(jié)能。然而，這種系統(tǒng)的功率密度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的閥控系統(tǒng)，所以技術(shù)的發(fā)展軌跡依然是不確定的。

英文作者：Andrew Plummer，巴斯大學(xué)（Universityof Bath）

中文譯校：騰益登