电液伺服阀的研究现状

　　0　引　　言

　　电液伺服阀是电液伺服控制系统的核心控制元件,其性能直接决定和制约着整个电液伺服控制系统的控制精度、响应特性、工作可靠性及寿命[1]。随着航空、航天和军事工业对电液伺服系统性能要求的提高,民用工业对低成本、易维护、环保型电液伺服系统需求,传统电液伺服阀已不能满足要求。

　　为提高伺服阀性能,国内外展开了以新型功能材料为基础的高频响、高精度电液伺服阀,以结构改进为基础的大流量、抗污染、低成本型电液伺服阀,以及以水作为介质的水压伺服阀的研究。本文从新型功能材料在电液伺服阀中应用、电液伺服阀结构改进、数字式和水压式电液伺服阀等几方面对当今电液伺服阀的研究现状进行论述。

　　1　新型功能材料在电液伺服阀中的应用

　　1. 1　超磁致伸缩材料

　　超磁致伸缩材料(GMM)的基本物理原理为磁致伸缩效应,即物体随磁化方向伸长或缩短的现象[2]。此种材料做成的转换器具有输出力大、响应速度快、控制精度高等优点。

　　图1为日本的TakahiroUrai等人用GMM转换器设计出了直动式伺服阀[3],它的原理是通过线圈中变化的电流产生磁场,使GMM棒伸缩,从而驱动与转换器直接连接的阀芯产生输出位移,并且按照其位移量大小来控制阀口流量。此GMM直动式伺服阀最大输出流量达2L/min,频宽650Hz。

　　图2为国内浙江大学研制的GMM喷嘴挡板伺服阀[3]。在驱动线圈通入一定电流,引起磁场变化,驱动GMM棒产生一定的输出位移。输出杆也是挡板,喷嘴与挡板间距离由GMM棒伸缩位移控制。预压力机构由前端盖、预压弹簧、调节螺钉等组成,其基本原理是利用GMM棒的输出位移推动输出杆改变喷嘴与挡板间的间隙,从而实现喷嘴挡板伺服阀控制压力的改变,通过GMM棒位移输出的高频高精度实现伺服阀频响和精度的提高。该伺服阀具有较宽的控制压力特性,在供油压力10MPa时,可达0. 52MPa;学习度约为2. 5%;阶跃响应上升时间为1ms,幅频宽达680Hz。

　　1. 2　压电材料/电致伸缩材料

　　压电材料(PZT)和电致伸缩材料(PMN)都是电介质,在其极化方向上施加一定强度的电场,则会引起材料的机械变形,去掉电场后又能恢复到原状态[4]。此种材料做成的转换器同样具有输出力大、响应速度快、控制精度高等优点,与GMM材料相比,研究成熟,价格低,但其需要较高的驱动电压。

　　图3为吉林大学研制的一种带位移放大的直动式压电伺服阀[4]。当施加到压电叠堆上的外加电压增加时,压电叠堆伸长,推动柔性铰链放大杠杆的位移输入端。杠杆绕杠杆支点转动,放大后的位移由杠杆的输出端传递至滑阀阀芯,再推动弹性回复板,实现滑阀的左移;当外加电压减小时,压电叠堆缩短,在弹性回复板的回复力的作用下,滑阀右移,从而实现了滑阀的双向运动,在供油压力7MPa时,流量可达5. 7 L/min,频响1. 2 kHz。