美國VICKERS威格士伺服閥新型材料的采用事項

電液伺服閥技術(shù)誕生是液壓控制技術(shù)和液壓控制系統(tǒng)的發(fā)展的結(jié)果。
液壓控制技術(shù)的歷史最早可追溯到公元前240年，當(dāng)時一位古埃及人發(fā)明了人類歷一個液壓伺服系統(tǒng)——水鐘。然而在隨后漫長的歷史階段，液壓控制技術(shù)一直裹足不前，直到18世紀(jì)末19世紀(jì)初，才有一些重大進(jìn)展。在二戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，液壓控制技術(shù)出現(xiàn)了突飛猛進(jìn)地發(fā)展，許多早期的控制閥原理及均是這一時代的產(chǎn)物。如：Askania調(diào)節(jié)器公司及Askania-Werke發(fā)明及申請了射流管閥原理。同樣Foxboro發(fā)明了噴嘴擋板閥原理的。而德國Siemens公司發(fā)明了一種具有永磁馬達(dá)及接收機(jī)械及電信號兩種輸入的雙輸入閥，并開創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。
在二戰(zhàn)末期，伺服閥是用螺線管直接驅(qū)動閥芯運(yùn)動的單級開環(huán)控制閥。然隨著控制理論的成熟及軍事應(yīng)用的需要，伺服閥的研制和發(fā)展取得了巨大成就。 1946年，英國Tinsiey獲得了兩級閥；Raytheon和Bell航空發(fā)明了帶反饋的兩級閥；MIT用力矩馬達(dá)替代了螺線管使馬達(dá)消耗的功率更小而線性度更好。1950年，W.C.Moog第一個發(fā)明了單噴嘴兩級伺服閥。1953年至1955年間，T.H.Carson發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級伺服閥；W.C.Moog發(fā)明了雙噴嘴兩級伺服閥；Wolpin發(fā)明了干式力矩馬達(dá)，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R.Atchley利用Askania射流管原理研制了兩級射流管伺服閥。并于1959年研制了三級電反饋伺服閥。
1959年2月國外某液壓與氣動雜志對當(dāng)時的伺服閥情況作了12頁的報道，顯示了當(dāng)時伺服閥蓬勃發(fā)展的狀況。那時生產(chǎn)各種類型的伺服閥的制造商有 20多家。各生產(chǎn)廠家為了爭奪伺服閥生產(chǎn)的霸權(quán)地位展開了激烈地競爭?；仡櫄v史，可以看到最終取勝的幾個廠家，大多數(shù)生產(chǎn)具有反饋及力矩馬達(dá)的兩級伺服閥。我們可以看到1960年的伺服閥已具有現(xiàn)代伺服閥的許多特點。如：第二級對第一級反饋形成閉環(huán)控制；采用干式力矩馬達(dá)；前置級對功率級的壓力恢復(fù)通?？蛇_(dá)到50%；第一級的機(jī)械對稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對零位的影響。同時，由早期的直動型開環(huán)控制閥發(fā)展變化而來的直動型兩級閉環(huán)控制伺服閥也已出現(xiàn)。當(dāng)時的伺服閥主要用于軍事領(lǐng)域，隨著太空時代的到來，伺服閥又被廣泛用于航天領(lǐng)域，并研制出高可靠性的多余度伺服閥等產(chǎn)品。
與此同時，隨著伺服閥工業(yè)運(yùn)用場合的不斷擴(kuò)大，某些生產(chǎn)廠家研制出了專門使用于工業(yè)場合的工業(yè)伺服閥。如Moog公司就在1963年推出了第一款專為工業(yè)場合使用的73系列伺服閥產(chǎn)品。隨后，越來越多的專為工業(yè)用途研制的伺服閥出現(xiàn)了。它們具有如下的特征：較大的體積以方便制造；閥體采用鋁材（需要時亦可采用鋼材）；獨立的第一級以方便調(diào)整及維修；主要使用在14MPa以下的低壓場合；盡量形成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。然而Moog公司在德國的分公司卻將其伺服閥的應(yīng)用場合主要集中在高壓場合，一般工作壓力在21MPa，有的甚至到35MPa，這就使閥的設(shè)計專重于高壓下的使用可靠性。而隨著伺服閥在工業(yè)場合的廣泛運(yùn)用，各公司均推出了各自的適合工業(yè)場合用的比例閥。其特點為低成本，控制精度雖比不上伺服閥，但通過優(yōu)良的控制技術(shù)和優(yōu)良的電子裝置以彌補(bǔ)其不足，使其性能和功效逼近伺服閥。1973年，Moog公司按工業(yè)使用的需要，把某些伺服閥轉(zhuǎn)換成工業(yè)場合的比例閥標(biāo)準(zhǔn)接口。Bosch研制出了其標(biāo)志性的射流管先導(dǎo)級及電反饋的平板型伺服閥。1974年，Moog公司推出了低成本、大流量的三級電反饋伺服閥。Vickers公司研制了壓力補(bǔ)償?shù)腒G 型比例閥。Rexroth、Bosch及其他公司研制了用兩個線圈分別控制閥芯兩方向運(yùn)動的比例閥等等 [2]。
美國VICKERS威格士伺服閥新型材料的采用事項國內(nèi)生產(chǎn)伺服閥的廠家主要有：航空工業(yè)總公司第六O九研究所、航空工業(yè)總公司第六一八研究所、北京機(jī)床研究所、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、上海航天控制工程研究所、九江中船儀表有限責(zé)任公司（四四一廠）及中國船舶重工集團(tuán)公司第七O四研究所。國外生產(chǎn)伺服閥的廠家主要有：美國 Moog公司、英國Dowty公司、美國Team公司、俄羅斯的“祖國"設(shè)計局、沃斯霍得工廠等，此外美國Park公司、EatonVickers公司、德國Bosch公司、Rexroth公司等亦有自己的伺服閥產(chǎn)品。
電液伺服閥一般按力矩馬達(dá)型式分為動圈式和永磁式兩種。傳統(tǒng)的伺服閥大部分采用永磁式力矩馬達(dá)，此類伺服閥還可分為噴嘴擋板式和射流式兩大類。國內(nèi)生產(chǎn)伺服閥的廠家大部分以噴嘴擋板式為主。生產(chǎn)射流管式伺服閥形成規(guī)模及系列的只有九江中船儀表有限責(zé)任公司（四四一廠）和中國船舶重工集團(tuán)公司第七O四研究所。國外情況亦類似，原專業(yè)生產(chǎn)射流管式伺服閥的廠家美國Abex公司也已被Park公司所吞并。然而，由于射流管式伺服閥具有抗污染性能好、高可靠性、高分辨率等特點。有些生產(chǎn)廠家也在研制或已推出自己的射流管式產(chǎn)品，如航空工業(yè)總公司第六O九研究所、中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院第十八研究所、美國Moog公司及俄羅斯的有關(guān)廠家等。美國Moog公司還在2006年7月召開了產(chǎn)品推廣會，推出了射流管式的D660系列產(chǎn)品，并認(rèn)為該產(chǎn)品代表了今后伺服閥的發(fā)展趨勢。
當(dāng)前國內(nèi)在研究、生產(chǎn)及使用伺服閥方面雖然形成了一定的規(guī)模。然而生產(chǎn)的產(chǎn)品主要用于航空、航天、艦船等領(lǐng)域，在民品不大。同時由于各生產(chǎn)單位各自為戰(zhàn)、缺少合作、力量分散，很不利于伺服閥的進(jìn)一步發(fā)展，也無法形成強(qiáng)大的競爭力與國外產(chǎn)品進(jìn)行競爭?，F(xiàn)國外產(chǎn)品在為Moog公司，它的產(chǎn)品占據(jù)了國內(nèi)絕大部分的民品市場。
研究現(xiàn)狀
當(dāng)前電液伺服閥的研究主要集中在結(jié)構(gòu)及加工工藝的改進(jìn)、材料的更替及測試方法的改變。
1）在結(jié)構(gòu)改進(jìn)上，主要是利用冗余技術(shù)對伺服閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。由于伺服閥是伺服系統(tǒng)的核心元件，伺服閥性能的優(yōu)劣直接代表著伺服系統(tǒng)的水平。另外，從可靠性角度分析，伺服閥的可靠性是伺服系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。由于伺服閥被污染是導(dǎo)致伺服閥失效的最主要原因。對此，國外的許多廠家對伺服閥結(jié)構(gòu)作了改進(jìn)，先后發(fā)展出了抗污染性較好的射流管式、偏導(dǎo)射流式伺服閥。而且，俄羅斯還在其研制的射流管式伺服閥閥芯兩端設(shè)計了雙冗余位置傳感器，用來檢測閥芯位置。一旦出現(xiàn)故障信號可立即切換備用伺服閥，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，此種兩余度技術(shù)已廣泛的應(yīng)用于航空行業(yè)。而且，美國的Moog公司和俄羅斯的沃斯霍得工廠均已研制出四余度的伺服機(jī)構(gòu)用于航天行業(yè)。我國的航天系統(tǒng)有關(guān)單位早在90年代就已進(jìn)行三余度等多余度伺服機(jī)構(gòu)的研制，將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套，發(fā)生故障可隨時切換，保證系統(tǒng)的正常工作。此外多線圈結(jié)構(gòu)、或在結(jié)構(gòu)上帶零位保護(hù)裝置、外接式濾器等型式的伺服閥亦已在冶金、電力、塑料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。
2）在加工工藝的改進(jìn)方面，采用新型的加工設(shè)備和工藝來提高伺服閥的加工精度及能力。如在閥芯閥套配磨方法上，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)均研制出了智能化、全自動的配磨系統(tǒng)。特別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)的配磨系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的氣動配磨的模式，采用液壓油作為測量介質(zhì)，更直接地反應(yīng)了所測滑閥副的實際情況，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度。在力矩馬達(dá)的焊接方面中船重工第704研究所與德國廠家合作，采用了優(yōu)良的焊接工藝取得了良好的效果。另外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還研制出智能化的伺服閥力矩馬達(dá)彈性元件測量裝置。解決了原有手動測量法中存在的測量精度低、操作復(fù)雜、效率低等問題。對彈性元件能高效完成剛度測量、得到完整的測量曲線，且不重復(fù)性測量誤差不大于1%。
3）在材料的更替上方面。除了對某些零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更*的材料外。還對特別用途的伺服閥采用了特殊的材料。如德國有關(guān)公司用紅寶石材料制作噴嘴檔板，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。機(jī)械反饋桿頭部的小球也用紅寶石制作，防止小球和閥芯小槽之間的磨損，使閥失控，并產(chǎn)生尖叫。航空六O九所、中船重工第七O四研究所等單位均采用新材料研制了能以航空煤油、柴油為介質(zhì)的耐腐蝕伺服閥。此外對密封圈的材料也進(jìn)行了更替，使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。
4）在測試方法改進(jìn)方面，隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展生產(chǎn)單位均采用計算機(jī)技術(shù)對伺服閥的靜、動態(tài)性能進(jìn)行測試與計算。某些單位還對如何提高測量精度，降低測量儀器本身的振動、熱噪聲和外界的高頻干擾對測量結(jié)果的影響，作了深入的研究。如采用測頻/測周法、尋優(yōu)信號測試法、小波消噪法、正弦輸入法及數(shù)字濾波等新技術(shù)對伺服閥測試設(shè)備及方法進(jìn)行了研制和改進(jìn) [3]。
當(dāng)前在電液伺服閥研制領(lǐng)域的新型材料運(yùn)用，主要是以壓電元件、超磁致伸縮材料及形狀記憶合金等為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)換器研制開發(fā)。它們各具有其自己的優(yōu)良特性。
1.壓電元件
壓電元件的特點是“壓電效應(yīng)"：在一定的電場作用下會產(chǎn)生外形尺寸的變化，在一定范圍內(nèi)，形變與電場強(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。比較典型的壓電陶瓷材料有日本TOKIN公司的疊堆型壓電伸縮陶瓷等。PZT直動式伺服閥的原理是：在閥芯兩端通過鋼球分別與兩塊多層壓電元件相連。通過壓電效應(yīng)使壓電材料產(chǎn)生伸縮驅(qū)動閥芯移動。實現(xiàn)電-機(jī)械轉(zhuǎn)換。PMN噴嘴擋板式伺服閥則在噴嘴處設(shè)置一與壓電疊堆固定連接的擋板，由壓電疊堆的伸、縮實現(xiàn)擋板與噴嘴間的間隙增減，使閥芯兩端產(chǎn)生壓差推動閥芯移動。壓電式電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器的研制比較成熟并已得到較廣泛的應(yīng)用。它具有頻率響應(yīng)快的特點，伺服閥頻寬甚至能達(dá)到上千赫茲，但亦有滯環(huán)大、易漂移等缺點，制約了壓電元件在電液伺服閥上的進(jìn)一步應(yīng)用。
2.超磁致伸縮材料
超磁致伸縮材料（GMM）與傳統(tǒng)的磁致伸縮材料相比，在磁場的作用下能產(chǎn)生大得多的長度或體積變化。利用GMM轉(zhuǎn)換器研制的直動型伺服閥是把 GMM轉(zhuǎn)換器與閥芯相連，通過控制驅(qū)動線圈的電流，驅(qū)動GMM的伸縮，帶動閥芯產(chǎn)生位移從而控制伺服閥輸出流量。該閥與傳統(tǒng)伺服閥相比不僅有頻率響應(yīng)高的特點，而且具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。在GMM的研制及應(yīng)用方面，美國、瑞典和日本等國處于水平。國內(nèi)浙江大學(xué)利用GMM技術(shù)對氣動噴嘴擋板閥和內(nèi)燃機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的高速強(qiáng)力電磁閥，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性研究。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、輸出力大等特點。世界各國對GMM電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器及相關(guān)的技術(shù)研究相當(dāng)重視，GMM技術(shù)水平快速發(fā)展，已由實驗室研制階段逐步進(jìn)入市場開發(fā)階段。今后還需解決GMM的熱變形、磁晶各向異性、材料腐蝕性及制造工藝、參數(shù)匹配等方面的問題以利于在高科技領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。
3.形狀記憶合金
形狀記憶合金（SMA）的特點是具有形狀記憶效應(yīng)。將其在高溫下定型后，冷卻到低溫狀態(tài)，對其施加外力。一般金屬在超過其彈性變形后會發(fā)生變形，而SMA卻在將其加熱到某一溫度之上后，會恢復(fù)其原來高溫下的形狀。利用其特性研制的伺服閥是在閥芯兩端加一組由形狀記憶合金繞制的SMA執(zhí)行器，通過加熱和冷卻的方法來驅(qū)動SMA執(zhí)行器，使閥芯兩端的形狀記憶合金伸長或收縮，驅(qū)動閥芯作用移動，同時加入位置反饋來提高伺服閥的控制性能。從該閥的情況來看，SMA雖變形量大，但其響應(yīng)速度較慢，且變形不連續(xù)，也限制了其應(yīng)用范圍。
與傳統(tǒng)伺服閥相比，采用新型材料的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器研制的伺服閥，普遍具有高頻響、高精度、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。雖然還各自呈在某些關(guān)鍵技術(shù)需要解決，但新型功能材料的應(yīng)用和發(fā)展，給電液伺服閥的技術(shù)發(fā)展發(fā)展提供了新的途徑 [3]。
電子化、數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用
電子化、數(shù)字化技術(shù)在電液伺服閥技術(shù)上的運(yùn)用主要有兩種方式：其一，在電液伺服閥模擬控制元器件上加入D/A轉(zhuǎn)換裝置來實現(xiàn)其數(shù)字控制。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，可把控制元器件安裝在閥體內(nèi)部，通過計算機(jī)程序來控制閥的性能，實現(xiàn)數(shù)字化補(bǔ)償?shù)裙δ?。但存在模擬電路容易產(chǎn)生零漂、溫漂，需加D/A 轉(zhuǎn)換接口等問題。其二，為直動式數(shù)字控制閥。通過用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動閥芯，將輸入信號轉(zhuǎn)化成電機(jī)的步進(jìn)信號來控制伺服閥的流量輸出。該閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、速度及位置開環(huán)可控及可直接數(shù)字控制等優(yōu)點，被廣泛使用。但在實時性控制要求較高的場合，如按常規(guī)的步進(jìn)方法，無法兼顧量化精度及響應(yīng)速度的要求。浙江工業(yè)大學(xué)采用了連續(xù)跟蹤控制的辦法，消除了兩者之間的矛盾，獲得了良好的動態(tài)特性。此外還有通過直流力矩電機(jī)直接驅(qū)動閥芯來實現(xiàn)數(shù)字控制等多種控制方式或伺服閥結(jié)構(gòu)改變等方法來形成眾多的數(shù)字化伺服閥產(chǎn)品。
隨著各項技術(shù)水平的發(fā)展，通過采用新型的傳感器和計算機(jī)技術(shù)研制出機(jī)械、電子、傳感器及計算機(jī)自我管理（故障診斷、故障排除）為一體的智能化新型伺服閥。該類伺服閥可按照系統(tǒng)的需要來確定控制目標(biāo)：速度、位置、加速度、力或壓力。同一臺伺服閥可以根據(jù)控制要求設(shè)置成流量控制伺服閥、壓力控制伺服閥或流量/ 壓力復(fù)合控制伺服閥。并且伺服閥的控制參數(shù)，如流量增益、流量增益特性、零點等都可以根據(jù)控制性能化原則進(jìn)行設(shè)置。伺服閥自身的診斷信息、關(guān)鍵控制參數(shù)（包括工作環(huán)境參數(shù)和伺服閥內(nèi)部參數(shù)）可以及時反饋給主控制器；可以遠(yuǎn)距離對伺服閥進(jìn)行監(jiān)控、診斷和遙控。在主機(jī)調(diào)試期間，可以通過總線端口下載或直接由上位機(jī)設(shè)置伺服閥的控制參數(shù)，使伺服閥與控制系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)良匹配，優(yōu)化控制性能。而伺服閥控制參數(shù)的下載和更新，甚至在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時也能進(jìn)行。而在伺服閥與控制系統(tǒng)相匹配的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展中，嵌入式技術(shù)對于伺服閥已經(jīng)成為現(xiàn)實。按照嵌入式系統(tǒng)應(yīng)定義為：“嵌入到對像體系中的專用計算機(jī)系統(tǒng)"。“嵌入性"、“專用性"與“計算機(jī)系統(tǒng)"是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。它是在傳統(tǒng)的伺服閥中嵌入專用的微處理芯片和相應(yīng)的控制系統(tǒng)，針對客戶的具體應(yīng)用要求而構(gòu)建成具有控制參數(shù)的伺服閥并由閥自身的控制系統(tǒng)完成相應(yīng)的控制任務(wù)（如各控制軸同步控制），再嵌入到整個的大液壓控制系統(tǒng)中去。從的技術(shù)發(fā)展和液壓控制系統(tǒng)對伺服閥的要求看，伺服閥的自診斷和自檢測功能應(yīng)該有更大的發(fā)展