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电液伺服阀的发展过程及研究现状分析

一 概述
电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件,它是一种接受模拟电信号后,相应输出调制的流量和压力的液压控制阀。电液伺服阀具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点,已广泛应用于航空、航天、舰船、冶金、化工等领域的电液伺服控制系统中。

二 发展过程
液压控制技术的历史最早可追溯到公元前240年,当时一位古埃及人发明了人类历史上第一个液压伺服系统——水钟。然而在随后漫长的历史阶段,液压控制技术一直裹足不前,直到18世纪末19世纪初,才有一些重大进展。在二战前夕,随着工业发展的需要,液压控制技术出现了突飞猛进地发展,许多早期的控制阀原理及专利均是这一时代的产物。如:Askania调节器公司及Askania-Werke发明及申请了射流管阀原理的专利。同样,Foxboro发明了喷嘴挡板阀原理的专利。而德国Siemens公司发明了一种具有永磁马达及接收机械及电信号两种输入的双输入阀,并开创性地使用在航空领域。

在二战末期,伺服阀是用螺线管直接驱动阀芯运动的单级开环控制阀。然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。1946年,英国Tinsiey获得了两级阀的专利;Raytheon和Bell航空发明了带反馈的两级阀;MIT用力矩马达替代了螺线管使马达消耗的功率更小而线性度更好。1950年,W。C。Moog第一个发明了单喷嘴两级伺服阀。1953年至1955年间,T。H。Carson发明了机械反馈式两级伺服阀;W。C。Moog发明了双喷嘴两级伺服阀;Wolpin发明了干式力矩马达,消除了原来浸在油液内的力矩马达由油液污染带来的可靠性问题。1957年R。Atchley利用Askania射流管原理研制了两级射流管伺服阀。并于1959年研制了三级电反馈伺服阀。

1959年2月国外某液压与气动杂志对当时的伺服阀情况作了12页的报道,显示了当时伺服阀蓬勃发展的状况。那时生产各种类型的伺服阀的制造商有20多家。各生产厂家为了争夺伺服阀生产的霸权地位展开了激烈地竞争。回顾历史,可以看到最终取胜的几个厂家,大多数生产具有反馈及力矩马达的两级伺服阀。我们可以看到,1960年的伺服阀已具有现代伺服阀的许多特点。如:第二级对第一级反馈形成闭环控制;采用干式力矩马达;前置级对功率级的压力恢复通常可达到50%;第一级的机械对称结构减小了温度、压力变化对零位的影响。同时,由早期的直动型开环控制阀发展变化而来的直动型两级闭环控制伺服阀也已出现。当时的伺服阀主要用于军事领域,随着太空时代的到来,伺服阀又被广泛用于航天领域,并研制出高可靠性的多余度伺服阀等尖端产品。

与此同时,随着伺服阀工业运用场合的不断扩大,某些生产厂家研制出了专门使用于工业场合的工业伺服阀。如Moog公司就在1963年推出了第一款专为工业场合使用的73系列伺服阀产品。随后,越来越多的专为工业用途研制的伺服阀出现了。它们具有如下的特征:较大的体积以方便制造;阀体采用铝材(需要时亦可采用钢材);独立的第一级以方便调整及维修;主要使用在14MPa以下的低压场合;尽量形成系列化、标准化产品。然而Moog公司在德国的分公司却将其伺服阀的应用场合主要集中在高压场合,一般工作压力在21MPa,有的甚至到35MPa,这就使阀的设计专重于高压下的使用可靠性。而随着伺服阀在工业场合的广泛运用,各公司均推出了各自的适合工业场合用的比例阀。其特点为低成本,控制精度虽比不上伺服阀,但通过先进的控制技术和先进的电子装置以弥补其不足,使其性能和功效逼近伺服阀。1973年,Moog公司按工业使用的需要,把某些伺服阀转换成工业场合的比例阀标准接口。Bosch研制出了其标志性的射流管先导级及电反馈的平板型伺服阀。1974年,Moog公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。Vickers公司研制了压力补偿的KG型比例阀。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用两个线圈分别控制阀芯两方向运动的比例阀等等。

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