什么是電液伺服閥？
電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵部件，它是一種接受模擬量輸出并調(diào)節(jié)流量和壓力的液壓控制閥。電液伺服閥具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、冶金、化工等領(lǐng)域的電液伺服控制系統(tǒng)。
液壓伺服閥是液壓伺服控制系統(tǒng)的核心部件，所以液壓控制系統(tǒng)書籍中都會(huì)包含電液伺服閥的內(nèi)容。
一、開發(fā)過程
電液伺服閥技術(shù)的誕生是液壓控制技術(shù)和液壓控制系統(tǒng)發(fā)展的結(jié)果。二戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)需要的發(fā)展，液壓控制技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，許多早期的控制閥原理和專利都是這個(gè)時(shí)代的產(chǎn)物。如：Askania Regulator 和 Askania-Werke 發(fā)明并應(yīng)用了噴射閥原理的原理。同樣Foxboro發(fā)明了噴嘴擋板閥原理的專利。德國(guó)西門子發(fā)明了永磁電機(jī)和接收器和電輸入的雙輸入閥，在航空航天領(lǐng)域具有開創(chuàng)性。
二戰(zhàn)末期，伺服閥是單級(jí)開環(huán)控制閥，用電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)。然而，隨著控制理論的成熟和軍事應(yīng)用的需要，伺服閥的研制和發(fā)展取得了巨大的成就。1946年，英國(guó)Tinsey獲得二級(jí)伺服閥專利；Raytheon 和 Bell 發(fā)明了帶有兩級(jí)伺服閥的反饋；MIT力矩電機(jī)代替螺線管使電機(jī)功耗更小，線性度更好。1950年，WCMogog首先發(fā)明了單噴嘴兩級(jí)伺服閥。1953年至1955年，THCarson發(fā)明了機(jī)械反饋兩級(jí)伺服閥；WCMoog發(fā)明了兩噴嘴兩級(jí)伺服閥；Wolpin發(fā)明了干式力矩電機(jī)，消除了原來浸入油內(nèi)的力矩電機(jī)受油液污染所帶來的可靠性問題。1957 年，R.Atchley 使用 Askania 射流管原理開發(fā)了兩級(jí)射流管伺服閥。并于1959年研制出三級(jí)電動(dòng)反饋伺服閥。當(dāng)時(shí)伺服閥主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著太空時(shí)代的到來，伺服閥已廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，并開發(fā)出高可靠性的冗余伺服閥等尖端產(chǎn)品。
同時(shí)，隨著伺服閥行業(yè)應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，一些廠家開發(fā)出專門用于工業(yè)應(yīng)用的工業(yè)伺服閥。隨后，出現(xiàn)了越來越多為工業(yè)用途開發(fā)的伺服閥。它們具有以下特點(diǎn)：體積較大，便于制造；閥體為鋁；獨(dú)立的一級(jí)，方便調(diào)整和維護(hù)；主要用于14MPa以下的低壓場(chǎng)合；努力形成系列標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。隨著伺服閥在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用，各公司紛紛推出自己適合工業(yè)應(yīng)用的配比閥門。它的特點(diǎn)是成本低，雖然控制精度比不上伺服閥，但通過先進(jìn)的控制技術(shù)和先進(jìn)的電子器件彌補(bǔ)了其接近伺服閥的性能和效率的不足。博世開發(fā)了其標(biāo)志性的噴射管先導(dǎo)和電反饋平板伺服閥。維克斯開發(fā)了壓力補(bǔ)償KG型比例閥。Rexroth、Bosch 和其他人開發(fā)了一種比例閥，它通過兩個(gè)線圈控制閥芯在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。
2.市場(chǎng)展望
生產(chǎn)伺服閥的廠家有：英國(guó)Dowty、美國(guó)Team、美國(guó)Parker、Eaton Vickers、德國(guó)Bosch、Rexroth等。
電液伺服閥一般按力矩電機(jī)類型分為動(dòng)圈式和永磁式兩種。傳統(tǒng)伺服閥大多采用永磁力矩電機(jī)，此類伺服閥可分為噴嘴擋板和射流兩大類。原來生產(chǎn)噴射管伺服閥的美國(guó)制造商Abex也被Parker收購(gòu)。但由于射流管伺服閥具有抗污染性能好、可靠性高、分辨率高等特點(diǎn)。一些制造商也在開發(fā)或推出自己的噴射管產(chǎn)品。
液壓 伺服閥產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域。同時(shí)由于各生產(chǎn)單位各自為戰(zhàn)，缺乏合作，力量分散，不利于伺服閥的進(jìn)一步發(fā)展，無法與國(guó)外產(chǎn)品形成強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
三、發(fā)展趨勢(shì)
目前，新型電液伺服閥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、新材料的使用以及電子、數(shù)字技術(shù)和液壓技術(shù)的結(jié)合。電液伺服閥技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了液壓控制技術(shù)的發(fā)展。
4.新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1990年代，直動(dòng)式電液伺服閥的研制取得了巨大的成就。派克開發(fā)了音圈驅(qū)動(dòng)技術(shù)（VCD），并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了DFplus控制閥。所謂音圈驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是一種類似于揚(yáng)聲器的驅(qū)動(dòng)裝置，其基本結(jié)構(gòu)是固定在一個(gè)固定的圓柱形永磁體上的移動(dòng)線圈，當(dāng)信號(hào)電流輸入線圈時(shí)，在電磁效應(yīng)的作用下，線圈產(chǎn)生的和信號(hào)電流對(duì)應(yīng)的軸向力，與驅(qū)動(dòng)線圈直接相連的閥芯運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)力非常大。線圈內(nèi)置位移反饋傳感器，因此，采用VCD驅(qū)動(dòng)的DFplus閥本質(zhì)上是閉環(huán)控制，線性度相當(dāng)好。DFplus閥門的全支撐是閥芯與閥體的配合面，大大降低了摩擦對(duì)控制質(zhì)量的影響。綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置數(shù)字控制模塊，DFplus閥門的控制性能，尤其是在頻率響應(yīng)方面更勝一籌，最高可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大、重量重，只為合適的現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>大大降低了摩擦對(duì)控制質(zhì)量的影響。綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置數(shù)字控制模塊，DFplus閥門的控制性能，尤其是在頻率響應(yīng)方面更勝一籌，最高可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大、重量重，只為合適的現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>大大降低了摩擦對(duì)控制質(zhì)量的影響。綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置數(shù)字控制模塊，DFplus閥門的控制性能，尤其是在頻率響應(yīng)方面更勝一籌，最高可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大、重量重，只為合適的現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置數(shù)字控制模塊，DFplus閥門的控制性能，尤其是在頻率響應(yīng)方面更勝一籌，最高可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大、重量重，只為合適的現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>綜合以上技術(shù)特點(diǎn)，內(nèi)置數(shù)字控制模塊，DFplus閥門的控制性能，尤其是在頻率響應(yīng)方面更勝一籌，最高可達(dá)400Hz。從發(fā)展趨勢(shì)來看，一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大、重量重，只為合適的現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大，重量重，只適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>一些行業(yè)的新型直動(dòng)式電液伺服閥已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的伺服閥，尤其是噴嘴擋板伺服閥趨勢(shì)，但其最大的問題是體積大，重量重，只適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)要求較低的工業(yè)伺服控制。如減輕其重量，減小其體積，在航空、航天等軍工領(lǐng)域也具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
此外，近年來新型伺服閥驅(qū)動(dòng)除了力矩電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)外，還出現(xiàn)了采用步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、新型電磁鐵等驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和輕液直接驅(qū)動(dòng)的新型伺服閥驅(qū)動(dòng)。伺服閥的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。這些新技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了伺服閥的性能，而且為伺服閥的發(fā)展思路、電液伺服閥技術(shù)注入了新的活力。
5.新材料的使用
目前用于電液伺服閥領(lǐng)域的新材料開發(fā)，主要是以壓電元件、巨磁致伸縮材料和形狀記憶合金為基礎(chǔ)的換流器研發(fā)。他們每個(gè)人都有自己的優(yōu)秀特點(diǎn)。
5.1 壓電元件
壓電元件的特點(diǎn)是“壓電效應(yīng)”：在一定電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生大小變化，在一定范圍內(nèi)，變形與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。壓電元件的主要材料為壓電陶瓷（PZT）、電致伸縮材料（PMN）等。典型的壓電陶瓷材料是日本TOKIN公司的疊層壓電伸縮陶瓷。PZT直動(dòng)式伺服閥原理是：閥芯兩端通過球體分別與兩層多層壓電元件相連。通過壓電材料的壓電效應(yīng)產(chǎn)生伸縮驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)電氣-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板伺服閥是設(shè)置在噴嘴上與壓電疊層固定連接的擋板，通過壓電疊層的延伸、收縮擋板與噴嘴之間的間隙增減，使閥芯兩端壓差驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。目前，壓電機(jī)電變換器的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，伺服閥帶寬甚至可以達(dá)到數(shù)千赫茲，但存在滯后、易漂移等缺點(diǎn)，限制了壓電元件在電液伺服閥中的進(jìn)一步應(yīng)用。擋板之間的收縮和噴嘴之間的間隙增加和減少，使閥芯兩端的壓力差驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。目前，壓電機(jī)電變換器的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，伺服閥帶寬甚至可以達(dá)到數(shù)千赫茲，但存在滯后、易漂移等缺點(diǎn)，限制了壓電元件在電液伺服閥中的進(jìn)一步應(yīng)用。擋板之間的收縮和噴嘴之間的間隙增加和減少，使閥芯兩端的壓力差驅(qū)動(dòng)閥芯移動(dòng)。目前，壓電機(jī)電變換器的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，得到了廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，伺服閥帶寬甚至可以達(dá)到數(shù)千赫茲，但存在滯后、易漂移等缺點(diǎn)，限制了壓電元件在電液伺服閥中的進(jìn)一步應(yīng)用。
5.2 巨磁致伸縮材料
與傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比，巨磁致伸縮材料（GMM）在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生更大的長(zhǎng)度或體積變化。GMM轉(zhuǎn)換器是使用GMM轉(zhuǎn)換器開發(fā)的。GMM 轉(zhuǎn)換器與閥芯相連。通過控制驅(qū)動(dòng)線圈的電流，驅(qū)動(dòng)并延伸GMM來驅(qū)動(dòng)閥芯的位移，從而控制伺服閥的輸出流量。與傳統(tǒng)的伺服閥相比，該閥不僅具有高頻響應(yīng)的特點(diǎn)，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。從目前情況看，GMM材料與壓電材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料相比具有應(yīng)變大、能量密度高、響應(yīng)速度快、輸出力大等優(yōu)點(diǎn)。
5.3 形狀記憶合金
形狀記憶合金 (SMA) 的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)。高溫定型后，冷卻至低溫狀態(tài)，外加外力。一般金屬在其彈性變形后會(huì)發(fā)生永久變形，而SMA加熱到一定溫度以上就會(huì)恢復(fù)其原來的高溫形狀。以其特點(diǎn)研制的伺服閥是一種SMA致動(dòng)器，在閥芯兩端纏繞形狀記憶合金，通過加熱和冷卻驅(qū)動(dòng)SMA致動(dòng)器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長(zhǎng)或收縮。 ，驅(qū)動(dòng)閥芯動(dòng)作移動(dòng)，同時(shí)增加位置反饋，提高伺服閥控制性能。從閥門的情況來看，SMA變形，但其響應(yīng)速度較慢，
與傳統(tǒng)伺服閥相比，采用新型材料，機(jī)電轉(zhuǎn)換器研制的伺服閥，一般具有高頻響應(yīng)、精度高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。電液伺服閥廣泛應(yīng)用于電液位置、速度、加速度、力伺服系統(tǒng)、伺服振動(dòng)發(fā)生器。具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功率放大系數(shù)高、控制精度高、線性度好、死區(qū)小、靈敏度高、動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前的液壓伺服控制技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)⒆詣?dòng)控制技術(shù)、液壓技術(shù)和微電子技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成新一代伺服閥產(chǎn)品。配合電子設(shè)備、控制策略。
