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液压机伺服阀的工作原理与组成
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| 发布时间：
2018/5/11 |
液压机电液伺服阀是一种自动控阀，它既是电液转换组件，叉=是功率放大组件，其功用是将小功率的模拟量电信号输入转换为随电信号j别、和极性变化，且快速响应的大功率液压能[流量℃或)和压力]输出，从而实寝对液压执行器位移(或转速)、速度(或角速度)、加速度(或角加速整)和力(或转矩)的控制。液压机电液伺服阀通常是由电气一机械转换器、液压放火器(先导级阉和功率级主阀)和检测反馈机构组成的，如图1所示。
液压放大器
图1液压机电液伺服阀的组成
2 液压机伺服阀电气－机械转换器有何特点？
液压电气一机械转换器包括电流一力转换和力一位移转换两个功能。
典型的电气一机械转换器为力马达或力矩马达。力马达是一种直线运动电气机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气一机械转换器。力马达和力矩马达的功用是将输入的控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(如弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先机械转换器，而力矩马达则是旋转运动的电气一机械转换器。力马达和力矩马达的功用是将输入豹控制电流信号转换为与电流成比例的输出力或力矩，再经弹性组件(如弹簧管、弹簧片等)转换为驱动先导级阀运动的直线位移或转角，使先导级阀定位、回零。通常力马达的输入电流为150--300mA，输出力为3～5N。力矩马这豹输叭奄流为10－30mA,输出力矩为0.02一0.06N.m
伺服阀中所用的电气一机械转换器有动圈式和动铁式两种结构。
(1)动圈式电气一机械转换器。
动圈式电气一机械转换器产生运动的部分是控制线圈，故称为“动圈式”。输入电流信号后，产生相应大小和方向的力信号，再通过反馈弹簧(复位弹簧)转化为相应的位移量输国，故简称为动圈式“力马达”(平动式)或“力矩马达”(转动式)。动圈式力蒜迭和力矩马达的工作原理是位于磁场中的载流导体(即动圈)受力作用。
动圈式力马达的结构骧理如图2所示，溺琶父磁铁1及内外导磁体2、3构成闭合磁路，在环状工作气隙中安放着可移动盼控制线圈4，它通常绕制在线圈架上，以提高结构强度，并采用弹簧5悬挂。当线圈中通人控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理移动并带动阀芯(图中未画出)移动，此力的大小与磁场强度、导线长度及电流大小成比例，力的方向由电流方向及固定磁通方向按电磁学中的左手定则确定。图3为动圈式力矩马达，与动圈式力马达所不同的是采用扭力弹簧或轴承加盘圈扭力弹簧悬挂控制线圈。当线圈中通人控制电流时，按照载流导线在磁场中受力的原理使转子转动。
图2动圈式力马达
1-永久磁铁；2-内导磁体；3-外导磁体；4-线圈；5-弹簧
磁场的励磁方式有永磁式和电磁式两种，工程上多采用永磁式结构，其尺寸紧凑。
图3动圈式力矩马达
1-永久磁铁；2-线墨；3-转子
动圈式力马达和动圈式力矩马达的控制电流较大(可达几百毫安至几安培)，输出行程也较大[±(2～4)mm]，而且稳态特性线性度较好，滞环小，故应用较多。但其体积较大，且由于动圈受油的阻尼较大，其动态响应不如动铁式力矩马达快。多用于控制工业伺服阀，也有用于控制高频伺服阀的特殊结构动圈式力马达。
(2)动铁式力矩马达。
动铁式力矩马达辘入隽奄嵇号，输出为力矩。图4为动铁式力矩马达的结梅原理圈。
 
图4动然式力矩马达的结构原理图
1-上导磁体；2-永久磁铁；3-线圈；4-下导磁体；5-衔铁；6-弹簧管；7-线圈引出线
它由左右两块永久磁铁2、上下两块导磁体l及4、带扭轴(弹簧管)6的衔铁5及套在线圈上的两个控制线圈3组成，衔铁悬挂在弹簧管上，可以绕弹簧管在四个气隙中摆动。左右两块永久磁铁使上雨导磁体的气隙中产生相同方向的极化磁场。没有输入信号时，衔铁与上下导磁体之间的四个气隙距离相等，衔铁受到的电磁力相互抵消两使衔铁处于中间平衡状态。当输入控制电流时，产生相应的控铡磁场，它在上下气隙中韵方向相反，因此打破了原有的平衡，使衔铁产生与控制电流大小和方向相对应的转矩，并且使衔铁转动，直至电磁力矩与负载力矩和弹簧反力矩等相平衡为止。但转角是很小的，可以看成是微小的直线位移。
动铁式力矩马达输出力矩较小，适合控制喷嘴挡板之类的先导级阀。其优点是自振频率较高，动态响应快，功率、重量比较大，抗加速度零漂性好。缺点是限于气隙的形式，其转角和工作行程很小(通常小于0.2mm)，材料性能及制造精度要求高，价格昂贵；此外，它的控制电流较小(仅几十毫安)，故抗干扰能力较差。
3伺服阀先导级阀有何特点？
液压机伺服阀先导级阀又称前置级，用于接收小功率的电气一机械转换器输入的位移或转角信号，将机械量转换为液压力驱动功率级主阀，犹如一对称四通阀控制的液压缸；主阀多为滑阀，它将先导级阀的液压力转换为流量或压力输出。液压机电液伺服阀先导级主要有喷嘴挡板式币盯射流管式两种。
(1)喷嘴挡板式先导级阀。
喷嘴挡板式先导级阕的结构及组成原理如图5所示[图5(a)为单喷嘴，图5(b)努双喷嘴]，它是通过改变喷嘴与挡板之闽的相对位移来改变藏流通路开度的大小以实现控制的。
 
Ps-输入压力；Pt—喷嘴处油液压力，Pc、Qc-控制输压力、流量
喷嘴挡板式的优点：具有体积小、运动帮件惯量小、无摩擦、所需驱动力小、灵敏度高等优点，特别适用于小信号工作，因此常用作二级伺服阀的前置大缀。
其缺点主要是中位泄漏量大，负载刚性差，输出流量小，节流孔及喷嘴的豫小(0.02-0.06ram)，易堵塞，抗污染能力差。
(2)射流管式先导级阀。
图6射流管阀
如图86所示，射流管式先导级阎由管3、接受器2和液压缸1组成，射流管3垂直于圈面韵辅c支撑并可绕轴左右摆动。不大的角度。接受板上的两个小孔a和b和液压缸1的两腔相通。当射漉管3处于两制孔道a、b的中间位置时，两个孔道a、b油液的压力相等，液压缸1不动；如有输号使射流管3向左偏转一个很小的角度，孔道a、b内的压力不相等，液压缸1左腔力大于右腔的压力，液压缸1向右移动，反之亦然。
射流管式先导级阀的优点：结构简单，加工精度低、抗污染能力强。缺点是惯性柚应速度低、功率损耗大。因此这种阀只适用于低压及功率较小的伺服系统冬。
4 液压机伺服阀功率级主阀（滑阀）有何特点？
液压机电液伺服阀中的功率级主阀是靠节流原理进行工作的，即借助阀体（套）的相对运动改变节流口通流面积的大小，对液体流量或珏力进行控制。
滑阀的结构及特点如下。
(1)控制边数。
根据控制边数的不同，滑阀有单边控制、双边控制和四边控制三种类型，如图7所示。
 
(a)单边；（b）双边，(c)四边
图7单边控制滑阀、双边控制滑阀和四边控制滑阀
单边控制滑阀仅有一个控制边，控制边的开口量z控制了执行器(此处为单杆液压缸)中的压力和流量，从而改变了缸的运动速度和方向。
双边控箭滑阀有两个控制边，压力油一路进入单杆液压缸有杆腔，另一路经滑阀控制边x1的开口和无杆腔相通，并经控制边x2的开口流回油箱；当滑阀移动时，x1增大，x2减小，或相反，从而控制液压缸无杆腔的回油阻力，故改变了液压缸的运动速度和方向。
四边控制滑阀有四个控制边，x1和x2是用于控制压力油进人双杆液压缸的左、右腔，x3和x4用于控制左、右腔通向油箱；当滑阀移动时，x3和x4增大， x2和x3减小，或相反，这样控制了进入液压缸左、右腔的油液压力和流量，从而控制了液压缸的运动速度和方向。
单边控制滑阀、双边控制滑阀和四边控制滑阀的控制作用相同。单边控制滑阀和双边控制滑阀用于控制单杆液压缸；四边控制滑阀既可以控制双杆缸，也可以控制单杆缸。
优缺点：四边控制滑阀的控制质量好，双边控制滑阀居中，单边控制滑阀最差。但是，单边控制滑阀无关键性的轴向尺寸，双边控制滑阀有一个关键性的轴向尺寸，而四边控制滑阀有三个关键性的轴向尺寸，所以单边控制滑阀易于制造、成本较低，而四边控制滑阀制造困难、成本较高。通常，单边控制滑阁和双边控制滑阀用于一般控制精度的液压系统，而四边控制辫阀则用于控制精度及定性要求较高的液压系统。
(2)通路数、凸肩数与阀口形状。
按通路数滑阀有二通、三通和四通等几种。
二通滑阀(单边阀)[见图7(a)]只有一个可变节流口(可变液阻)，使用时必须和一个固定节流口配合，才能控制一腔的压力，用来控制差动液压缸。
三通滑阀[见图7(b)]只有一个控制El，故只能用来控制差动液压缸，为实现液压缸反向运动，需在有杆腔设置固定偏压(可由供油压力产生)。
四通滑阀[见图．7(c)]有四个控制口，故能控制各种液压执行器。
阀芯上的凸肩数与阀的通路数、供油及回油密封、控制边的布置等因素有关。二通阀一般为两个凸肩，三通阀为两个或三个凸肩，四通阀为三个或四个凸肩。三凸肩滑阀为最常用的结构形式。凸肩数过多将加大阀的结构复杂程度、长度和摩擦力，影响阀的成本和性能。
滑阀的阀口形状有矩形、圆形等多种形式，矩形阀口又有全周开口和部分开口之分。矩形阀口的开口面积与阀芯位移成正比，具有线性流量增益，故应用较多。
(3)零位开口形式。
滑阀在零位(平衡位置)时，有正开口、零开口和负开口三种开口形式，如图8所示。
对于正开口(以又称负重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度(也称凸肩宽，下同)的阀口宽度h。
对于零开口(又称零重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度t与阀套(体)的阀口宽度h相等。
对于负开口(又称正重叠)的滑阀，阀芯的凸肩宽度t大于阀套(体)的阀口宽度h。
滑阀的开口形式对其优缺点：零位附近(零区)的特性具有很大影响，零开口滑阀的特性较好，应用最多，但加工比较困难，价格昂贵。
5、液压机伺服阀检测反馈机构有何特点？
常用的液压机伺服阀检测反馈形式有机械反馈(如位移反馈、力反馈)、液压反馈(如压力反馈、微分压力反馈等)和电气反馈。
设在阀内部的检测反馈机构将先导阀或主阀控制口的压力、流量或阀芯的位移反馈到先导级阀的输入端或比例放大器的输入端，实现输入输出的比较，解决功率级主阀的定位问题，并获得所需的伺服阀压力一流量性能。
图9所示为4WSE2ED系列伺服阀，图9中1为位移传感器，用于获取主阀芯位移信号。位移信号与给定值进行比较，得出偏差值放大后传到力矩马达，构成闭环控制，提高了伺服阀的动态性能。
图9 4WSE2ED系列伺服阀 |
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