電液伺服閥的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀分析論文
論文摘要：電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件。文章詳細(xì)論述了電液伺服閥的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀。最后對電液伺服閥的趨勢進(jìn)行了展望。
論文關(guān)鍵詞：電液伺服閥 發(fā)展歷史 發(fā)展趨勢
一、概述
電液伺服閥不僅能夠?qū)崿F(xiàn)微小電氣信號向大功率液壓信號(流量與壓力)的轉(zhuǎn)換，還可以根據(jù)輸人電信號的大小，成比例地輸出相應(yīng)的流量和壓力。因此，在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥將電氣部分與液壓部分連接起來，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制策略和執(zhí)行元件的動作。所以，電液伺服閥的性能，特別是其電液伺服閥的動特性和穩(wěn)定性，直接影響到整個(gè)液壓系統(tǒng)乃至機(jī)械設(shè)備的可靠性和壽命。電液伺服閥的發(fā)展史就是一部力圖獲得速度更快、精度更高、穩(wěn)定性更好的創(chuàng)新史。
二、發(fā)展歷史
1.早期。最早使用液壓伺服技術(shù)的機(jī)構(gòu)也許已經(jīng)湮滅在浩瀚的歷史長河中。但是最早對這門學(xué)科作出了突出貢獻(xiàn)的人可以肯定的說是Ktesbios。公元前247年到285年，生活在亞歷山大城的古埃及人Ktesbios發(fā)明了很多液壓伺服機(jī)構(gòu)。其中最為杰出的一種是水鐘，他設(shè)計(jì)的水鐘可以顯示長達(dá)一個(gè)月的準(zhǔn)確時(shí)間。其原理是通過節(jié)流孔將浮標(biāo)顯示的液面高度與容器形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。從某種意義上說，這種浮標(biāo)已經(jīng)具備現(xiàn)代液壓伺服閥的雛形。
但是，在隨后漫長的歷史階段，液壓控制技術(shù)一直停滯不前。直到1750年左右，用于控制給水系統(tǒng)和蒸汽鍋爐水位的液位控制閥在英國出現(xiàn)。隨著工業(yè)革命的發(fā)展，控制策略的不斷改進(jìn)，進(jìn)而影響到液壓技術(shù)的發(fā)展。1795年，約瑟夫·布拉馬應(yīng)用帕斯卡原理制作了水壓機(jī)，1796年，莫茲利為了使水壓機(jī)更好的工作，設(shè)計(jì)了水壓機(jī)泵的密封裝置—皮碗密封。而它是我們現(xiàn)在密封技術(shù)的初形。到了18世紀(jì)末期，蓄能器在英國出現(xiàn)。19世紀(jì)早期，開始采用油液代替水成為液壓系統(tǒng)的介質(zhì)，同時(shí)方向控制閥采用電信號進(jìn)行驅(qū)動。
2二戰(zhàn)期間。在二戰(zhàn)前夕，由于空氣動力學(xué)的應(yīng)用要求一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械信號與氣體信號轉(zhuǎn)換裝置。阿斯卡尼亞控制器公司及Askania-Werke根據(jù)射流原理發(fā)明了射流管閥并申請了專利。根據(jù)同樣的原理，福克斯波羅申請了雙噴嘴擋板閥的專利。德國西門子公司發(fā)明了永磁式力矩馬達(dá)，它可以接受通過彈簧輸人的機(jī)械信號和移動線圈產(chǎn)生的電信號，并開創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。
在二戰(zhàn)末期，伺服閥是采用滑閥閥芯在閥套中移動的結(jié)構(gòu)。閥芯的運(yùn)動是直流螺線管產(chǎn)生的電磁力與彈簧產(chǎn)生的壓力共同作用的結(jié)果，因此，此時(shí)的伺服閥還僅僅是一種單級開環(huán)控制閥。
3二戰(zhàn)后。二次世界大戰(zhàn)之后，由于軍事的刺激，自動控制理論特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的研究得到進(jìn)一步發(fā)展。這從另一個(gè)方面大大刺激了液壓伺服閥的研制與創(chuàng)新。
1946年，英國的廷斯利發(fā)明了兩級液壓閥;雷神和貝爾飛機(jī)公司獲得了帶反饋兩級伺服閥的專利;麻省理工學(xué)院采用線性度更好、更節(jié)能的力矩馬達(dá)代替螺線管作為滑閥的驅(qū)動裝置。
1950年，穆格發(fā)明了采用噴嘴節(jié)流孔作前置級的兩級伺服閥。在此基礎(chǔ)上，從1953年至1955年，卡森發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級伺服閥;穆格改進(jìn)了雙噴嘴節(jié)流孔結(jié)構(gòu);沃爾平則將濕式電磁鐵改為干式的，消除了原來浸在油液內(nèi)的力矩馬達(dá)由油液污染帶來的可靠性問題。1957年，阿奇利發(fā)明了射流管閥作為前置級的兩級電液伺服閥。并于1959年成功研制出了蘭級電信號反饋伺服閥。
此時(shí)的電液伺服閥開發(fā)研制進(jìn)人了迅速發(fā)展時(shí)期，很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了電液伺服閥的性能。特別是1960年的電液伺服閥設(shè)計(jì)更多地顯示出了現(xiàn)代伺服閥的特點(diǎn)。如:兩級間形成了閉環(huán)反饋控制;力矩馬達(dá)更輕移動距離更小;前置級對功率級的壓差通�？蛇_(dá)到50%以上;前置級無摩擦并且與工作油液相互獨(dú)立;前置級的機(jī)械對稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對零位的影響。
在20多年的時(shí)間里，電液伺服閥完成了從早期的單擊開環(huán)控制閥到兩級閉環(huán)控制伺服閥的轉(zhuǎn)變�？梢钥闯觯谀莻�(gè)時(shí)代中電液伺服閥的發(fā)展更多的是由十軍事應(yīng)用的需要，因此，它的開發(fā)是不計(jì)一成本的，這也造成了當(dāng)時(shí)的電液伺服閥性能優(yōu)越但價(jià)格昂貴。
隨后，一些公司開始開發(fā)電液伺服發(fā)的工業(yè)應(yīng)用。穆格公司于1963年研制出73系列電液伺服閥，可以滿足工業(yè)用油的清潔度要求。此后，為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求，以1960年的伺服閥為基礎(chǔ)的伺服閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制仍在繼續(xù)。如:閥的體積變大(與航空用閥相比)，材料也不再是鍛鋼;先導(dǎo)級獨(dú)立出來，以方便維修和調(diào)試;閥的許用壓力范圍降低至10MPa到20MPa，而不再是原來的30MPa;開始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，以降低成本和滿足通用的要求。
三、研究現(xiàn)狀
通過前述可以看出，電液伺服閥已經(jīng)不可能出現(xiàn)原理的改變，要知道本身它的發(fā)展史就沒有多少重要的變化。但是，我們可以就某些特定方面進(jìn)行技術(shù)革新。當(dāng)前電液伺服閥的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、材料的使用及測試方法的改變。
1.結(jié)構(gòu)方面。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，針對伺服閥常見故障進(jìn)行分析，提出改進(jìn)方案，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)手段，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以滿足閥的'性能要求。如:直驅(qū)式伺服閥的產(chǎn)生、壓電陶瓷式伺服閥的出現(xiàn)。此外，還有利用三余度技術(shù)對伺服閥的機(jī)構(gòu)行改造，將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套。若某個(gè)關(guān)鍵元件發(fā)生故障，可隨時(shí)切換另外備用套，從而保證閥的正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。
2.材料方面。在材料替換方面，可以針對電液伺服閥的性能要求，對特定的零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更優(yōu)越的材料。對密封圈的材料進(jìn)行更替，可以使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。用紅寶石材料制作噴嘴檔板，可以防止因氣饋造成檔板和噴嘴的損傷，而降低動靜態(tài)性能，使工作壽命縮短。此外，永磁式力矩馬達(dá)中電磁鐵的材料采用超磁致伸縮材料，可以提高電液伺服閥的動態(tài)響應(yīng)特性。
3.測試方面。在對電液伺服閥的動靜態(tài)特性進(jìn)行測試時(shí)，測量儀器本身的影響、外界電磁信號的干擾等都會對測試結(jié)果造成影響，嚴(yán)重時(shí)不能正確反映伺服閥的性能。此外，盡可能地提高測量儀器的測量精度，可以更準(zhǔn)確地反映伺服閥產(chǎn)品本身的特性，有助于保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及經(jīng)濟(jì)性。因此，很多個(gè)人及單位對測試儀器、測試技術(shù)等做了深人的研究。
四、結(jié)論
隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用，伺服控制系統(tǒng)越來越高的性能要求，電液伺服閥獲得了長足的進(jìn)步，但是這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。未來電液伺服閥的設(shè)計(jì)研制會朝著標(biāo)準(zhǔn)化、虛擬化、智能化、數(shù)字化、微型化和綠色化的方向發(fā)展。
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