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电液伺服阀发展史

2020-09-19 11:07:55




图5: 1955年开始的先导级滑阀设计


液压控制阀的最初设计是在MIT,并在由Blackburn,Reethof和Shearer合著的书上有详尽的描述。这本书是在50年代,由MIT员工给工业领域的工程师培训的一个课程。这种阀显示,电气位置反馈可以做得很有效,因此也带动了扭矩马达的发展。


Cadillac Gage FC-2 阀 (图 4b)值得我们注意的,它是两级阀的先驱,后来也成为了设计标准:它在先导级把力矩马达与喷嘴挡板结合起来(虽然是单喷嘴),主阀芯的机械力反馈采用反馈弹簧杆。


Moog阀(图4a)最初由W.C.(Bill)Moog在康奈尔航空实验室(Cornell AeronauticalLaboratory)设计,。Moog带来了大量实际的提高。通过弹簧管支撑力矩马达,使得弹簧管偏置时更轻,摩擦力更小,减小了阀的阈值,提高了分辨率。1953年Moog获得了此项专利之后,又开始申请其它方面的专利,即改变单喷嘴设计的缺陷,提出了采用双喷嘴挡板的机构,以消除其对供油压力的敏感。


一个通常的故障就是磁性颗粒被油液带入聚集在力矩马达,这在Series 2000阀上第一次得到了解决,即通过把力矩马达和油液隔离开来。贝尔航空(BellAerospace)在1953年申请了此项专利。


到1957年为止,约另外17项阀的新设计出现了,并被美国空军评估,包括制造商Boeing,  Lear, Dalmo  Victor, Robertshaw  Fulton, Hydraulic  Research,  Hagan和National Water。两级双喷嘴挡板阀开始占据市场主流。需要注意的是,喷嘴挡板的结构比先导级采用滑阀的结构制造上更便宜,因为所有先导级的滑阀都需要采用颤振频率克服摩擦,有时甚至是正遮盖。


下面的设计有些新颖的地方:

  • Sanders SA17D – 音圈(voice coil)/双喷嘴挡板/机械力反馈:所有元件轴向布置。

  • Cadillac Gage FC200 – 干式力矩马达/双喷嘴挡板/液压反馈

  • Pegasus  Model  20 – 音圈(voice coil)或者电磁铁/双喷嘴-双挡板/通过在阀芯端部设置小孔,实现机械位置反馈;双向对称版本(见图4c)

  • Hagan – 音圈(voice coil)/ 先导级滑阀,旋转以减小摩擦/无反馈


同期反馈的技术问题主要是零漂(虽然主要原因是力矩马达的温度敏感性),喷嘴和挡板的锈蚀,力矩马达的非线性(如果设计电流过小),以及高频不稳定。当时,只有Moog和Cadillac  Gage有批量生产的阀用于商用目的,Bendix也有很多阀,但只在最终客户那里进行测试。

 

3. 工业阀

到20世纪50年代底,两级机械力反馈伺服阀已经在军事和航空领域开始应用,,,以及伺服液压系统开始应用于太空火箭的发射。


此时,伺服液压可能的工业应用也被人们逐渐意识到,大量的应用包括机床,注塑机,汽轮机,冶金轧机,以及仿真和测试工业的精密控制。一些工业阀是从航空阀改动而来的,比如“73”系列为最早的工业阀,是由Moog引入的。

工业阀必须要便宜,易维护,并包括如下特征:

  • 阀体可更大,方便机加工

  • 先导级独立,便于调整和维护

  • 标准油口尺寸

  • 内置过滤器,应对工业过滤略低的标准


相对于机械阀芯位置反馈,电气反馈可以获得更高的闭环增益,从而提高动态响应,而且也可以校正滞环或者温度效应引起的误差。机械反馈阀固有的安全和紧凑对航空领域来说具有很大的吸引力,但是在工业阀,从1970年之后开始采用电气反馈。这其中一个标志性的事件就是Bosch在1973年引入了板式安装伺服阀,带射流管,采用霍尔效应位置传感器,更重要的是带集成电子放大器。


Rexroth, Bosch, Vickers以及其它的液压制造商均开发了单级伺服阀,采用一对比例电磁铁控制弹簧对中的阀芯,开环控制,其与在20世纪50年代开发的单级阀类似,但是当时被航空工业应用给否决了。通过采用电气位置反馈和闭环控制,改善了控制精度以及响应时间。与比例电磁铁相比,线性力马达或者音控线圈执行器改善了线性度;80年代,用稀土磁体(Rare earth magnet)代替磁钢(Alnico magnet),克服了先导级输出力大小的局限性。这种直动式阀由Moog开发(图6),之后Parker也开发了类似产品,其具有与二级阀相当的动态响应。

图6:力马达直接驱动,集成电子


表2示出了典型阀的特性,包括阀芯驱动力型式。高的阀芯驱动力不仅有利于克服液动力,加速阀芯运动,而且可以更好的克服小颗粒污染物的夹杂,从而避免卡阀。

表 2: 典型4通阀的性能参数@额定流量40L/min(70bar压降)


4. 新颖的电液伺服阀设计

这些年来,各种各样的关于阀的设计被探索和开发出来,用以提高动态响应,减小泄漏,改善维护性或者提升其它相对于传统阀的优点。大部分的研究都集中在采用新的方法来改善阀芯驱动,其常常涉及到新材料的应用。


4.1  压电效应执行器

当电场作用的时候,压电陶瓷变形非常快,但是最大变形量很小,大约只有0.15%。因此,采用堆栈方式的执行器(图7a)实际上也需要运动的放大,即使在先导级(例如挡板运动大概0.1mm)。矩形弯曲执行器(图7b)可以为先导级提供足够的位移,合理的力范围(10N~100N)。此种弯曲型式的陶瓷层厚度大约20μm,因此电压大约至50V,可提供足够的磁场强度。然而,压电陶瓷材料受制于滞环(典型的20%),蠕动,堆栈执行器长度取决于温度等因素的影响。由于执行器表现得像一个电容,响应速度通常受限于放大器电流的限制。


在1955年关于阀的调查中,电机械转换的执行器只有电磁的方式,但也提到“压电晶体”被用于某些试验模型,以获取更好的响应。然而,到目前为止还是没有被广泛接受,由于对其抗震性能,温度变化,电气噪音等的高度怀疑,以及较难从晶体里获取足够的位移。压电晶体的阀在1955已有专利,包括压电晶体挡板用于双喷嘴挡板阀,还有传递流体的压电晶体油泵。

图7:压电效应


采用堆栈方式的执行器驱动阀芯需要一些运动放大。比如采用静压变压器,内充硅橡胶并带有一定的面积比率。相位滞后-90°的带宽频率可达270Hz,并且在阀芯两端采用两个反向的执行器以减小温度敏感性(图8)。机械放大采用连杆的方式(图9)。

图 8:阀芯运动带静压放大压电堆栈运动

图 9:阀芯运动,带机械放大压电堆栈运动


采用压电执行器代替二级阀中的力矩马达在众多的研究中均有报告。图10,该伺服阀采用机械反馈阀移动挡板。图11,一种航空伺服阀,带反馈杆,采用矩形压电陶瓷弯曲执行器来驱动偏转装置,发明者认为其在射流管处只会产生更小的液动力。与力矩马达相比,其被认为压电陶瓷弯曲执行器可以更好加工,更好测试,以及具有更好的重复性。在最近的一个样机中,环形执行器被用于先导级。先导级是迷你阀,带正遮盖以弥补泄漏。采用电气位置反馈的阀见图12。

图10:压电堆栈,用于两级阀

图 11:压电矩形弯曲执行器,射流管两级机械反馈阀

图 12:压电环形弯曲执行器 先导阀芯 两级电反馈阀


另外一种采用压电陶瓷堆栈工作原理的阀如图13。先导级的4个节流口构成H-桥式回路,且均是可调的,采用汽车燃油喷射,带40μm行程,-90°的带宽达到1kHz以上。

图 13:独立的压电效应控制 先导级H桥式回路节流孔


图14所示的是另外一种提高直动式阀的快速响应的新理念。采用堆栈技术,阀芯阀套移动范围+/-20μm,相当于传统的线性力马达+/-1mm的移动距离。因此,即使在高于60Hz以上的频宽,也可以实现很精密的流量控制。

图 14:双作用阀 高频响 长行程执行器


4.2  其它的一些新设计

磁致伸缩是另外一种材料现象,可被用于创造“智能执行器”。磁致伸缩阀芯的运动也已经被测试很多年。它面临的与压电陶瓷一样的挑战,如有限位移量,滞环,温度敏感性等。


4.3  增材制造

增材制Additive Manufacturing,俗称3D打印,给液压元件的制造带来新的方法。AM可以用以减轻阀块的重量,更重要的是提供设计者更多的设计自由度,因为不需要考虑一些加工制造的约束。例如图12所示的压电效应阀,采用激光熔融技术,用钛合金制造阀块。图15显示了最终的成品阀,图16显示的是AM阀体,图17示例了CT扫描阀体的内部情况。

图 15:原型 增材制造

图 16:AM制造阀体细节

图 17:CT扫描阀体


5. 结论

一些基本的关于单级阀或者两级阀的设计理念在20世纪50年代中期被提出来的。两级的机械反馈的伺服阀在60年达开始应用于航空,以及一些高性能要求的工业领域。单级阀,带比例电磁铁或者线性力马达驱动阀芯的,在70年代和80年代作为一种低成本解决方案,开始应用于工业系统,并且随着阀芯位置带反馈和集成电子的应用不断增长。


力矩马达驱动的两级伺服阀得到了极大的成功应用。尽管如此,手工安装和调整力矩马达始终证明是必须的。在一些应用,寻找一些潜在的具有更高动态响应的压电效应伺服阀或者其它材料,吸引越来越多的兴趣。尽管60年来,人们没有停止对新材料,新技术的研究,但是力矩马达依然继续在使用。也许将来,会出现真正的竞争者。


增材制造,特别是在制造量不太大(例如在航空航天)的时候,消除了阀体和其他液压元件中的许多制造限制。这将使一些设计思想突破物理的限制,而加工制造的潜能将得到进一步发挥。


进一步的发展趋势是伺服阀的智能化。集成自校正功能、状态监测和通信能力的提高是工业电液伺服阀的发展趋势,也将在航空航天得到应用。


应该注意的是,阀控液压系统的面临的挑战正在发生,如采用电液执行器(伺服泵控制执行器),或泵伺服变量控制的机器更节能。然而,这种系统的功率密度和动态响应远远低于传统的阀控系统,所以技术的发展轨迹依然是不确定的。

 


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