射流管伺服比例阀
金瑶兰 方群 章敏莹 渠立鹏 王亚鸿
(中船重工集团第七〇四研究所伺服阀产业部 上海 200070 )

摘要：文中对伺服阀与比例阀的结构、性能、抗污染能力及价格等多方特点进行了比较。并介绍了中船重工集团第七O四研究所在三十多年生产射流管伺服阀基础上研制的射流管伺服比例阀。其采用了前置独立式直杆型射流放大器、外接式滤油器及过滤模块等新技术，进一步提高了整阀的抗污染性能并降低了生产成本。安装接口按ISO4401的有关标准设计；该阀的控制性能及精度完全等同于伺服阀，但对油液的要求等同于比例阀，成本只为国外同类伺服比例阀的三分之一到三分之二，可广泛运用于航空航天及各类工业控制场合。
关键词：射流管伺服比例阀 比例阀 伺服阀 抗污染
中图分类号：TH137


0 前言
伺服阀是二战期间出现的，主要是为满足军事领域的需要【1】，故价格比较贵。60年代为了满足工业场合可靠、廉价的需要，在传统的工业用液压阀的基础上发展出了比例阀。早期的比例阀只是将比例电磁铁用于控制阀，性能较差。频率低，滞环大，死区大，只能用于开环系统。目前，随着内外反馈、电校正、比例电磁铁和比例放大器技术的运用及成熟，使阀的性能有了进一步的提高，出现了伺服比例阀。同时，伺服阀的技术也有了发展，特别是射流管伺服阀在抗污染能力上相当于比例阀，在此基础上研制的射流管伺服比例阀性能和控制精度优于一般的伺服比例阀，而抗污染能力等可靠性指标相当于一般伺服比例阀【2】。伺服阀、比例阀、伺服比例阀性能特点比较详见表一。


1 射流管伺服比例阀工作原理
中船重工集团第七〇四研究所在CSDY射流管伺服阀的基础上研制了射流管伺服比例阀，采用前置独立式直杆型射流放大器、旁置式过滤器及过滤模块等新技术，进一步提高了整阀的抗污染性能并降低了生产成本。其工作原理基本和射流管伺服阀相同，为力反馈两级流量控制阀，结构原理见图1。
力矩马达采用永磁结构，弹簧管支承着衔铁射流管组件，并使马达与液压部分隔离，所以力矩马达是干式的。前置级为射流放大器，它由射流管与接受器组成。经过过滤模块过滤后的液压油,一路进入阀体，另一路再通过外接式滤器进入射流管。当当马达线圈输入控制电流，在衔铁上生成的控制磁通与永久磁通相互作用，于是衔铁上产生一个力矩，促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩

表 1 伺服阀、比例阀、伺服比例阀性能特点比较
电－机械
转换器 频响 零位死区 加工精度 过滤精度 滞环（%） 价格因子 使用场合
比例阀 比例电磁铁 低 有 10级 25 4～7 1 开环
伺服比例阀 比例电磁铁力矩马达 中
高 无 级 25 1～3 2～5 开环
闭环
普通伺服阀 力马达或
力矩马达 高 无 级 3～10 1～3 3 开环
闭环
射流管
伺服比例阀 力矩马达 高 无 级 10～30 1～3 2 开环
闭环



的小角度。液压油经过喷嘴高速射流的偏转，使得接受器一腔压力升高，另一腔压力降低，连接这两腔的阀芯两端形成压差，阀芯运动直到反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡，使喷嘴又回到两接受器的中间位置为止。这样阀芯的位移与控制电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于控制电流了【3】。

图 1 伺服比例阀结构原理图
2 射流管伺服比例阀关键技术
下面分别对射流管伺服比例阀的关键技术进行分析和介绍。
2.1前置独立式直杆型射流放大器【* 该项技术中船重工第七〇四研究所已申请专利。】*
传统射流管伺服阀将接受器安装在阀套上，通过阀套上的长孔将接受器的油液引入控制阀芯两端。然它具有如下缺点：在伺服阀装配调试过程中，马达、喷嘴、阀芯零位调整时相互影响，调试难度大；加工阀套长孔非常困难，易产生偏差，使接受器孔无法与阀套长孔沟通或沟通面积不够，影响前置级的恢复效率；反馈杆为弯杆结构，加工难度大，且受力情况不太理想；维修时，如阀产生零偏，故障原因判断较复杂，维修工作量大。
前置独立式射流管技术是把射流管阀前置级中的射流管、喷嘴及接受器做成一个独立的整体，见图2。这项新技术有如下优点：射流管前置级是独立的，在安装调试时可单独调整喷嘴的零位，不会与阀芯阀套的零位相互干涉；由于前置独立式放大器是安装在阀体上的，其接受孔与阀芯两端控制腔是通过阀体上的引孔沟通，降低了加工难度，保证前置级的恢复效率；采用了独立的前置级使在结构上采用直杆式反馈杆成为可能，降低了零部件的加工难度；在维修时，可方便地区分产生零偏的原因，缩短了维修周期。


图 2 前置独立结构示意图
采用前置独立射流管技术后，方便了射流管伺服阀的制造、安装、调试及维修，提高了生产效率，降低了成本。
2.2外接式滤油器
目前电液伺服阀中普遍采用把马达供油滤油器安装在阀体内部，见图3。此种方式虽具有结构紧凑、加工简单的特点，然具有如下缺点：受阀体结构的限制，滤油器的过油面积比较小；滤油器堵死后，更换、清洗比较困难。


图 3 内接滤油器
1-阀体 2-滤器
外接式滤油器技术是指在阀体外接一阀块，把滤器安装在阀块内，通过进油孔与出油孔与阀体相通，见图4。与滤器安装在阀体内部相比，它有如下优势：滤器的大小不受阀体的限制，可大大增加过油面积，提高阀的抗污染能力；滤油器安装在外接阀块上后，即使发生滤油器堵死现象，用户也可自行更换装有滤油器的小阀块即可。



图 4 外接滤油器
1-阀体 2-外接阀块 3-滤器
采用滤器外接后，在客户维修不便或生产条件不允许停机的情况下，客户可自行卸下滤器清洗后迅速换上，最快速度满足客户生产需求，故适用于恶劣的工况环境
2.3过滤模块
伺服控制系统出现问题一般都是伺服阀的故障，而伺服阀的故障很大一部分是由于油液不清洁导致的。对于喷挡阀一般要求油液的清洁度等级为NAS6级，射流管阀对油液的清洁度要求为NAS8级。然而在很多在工业应用场合，使用环境非常恶劣，极易发生阀喷嘴堵塞、阀芯卡死的现象【4】。
过滤模块技术是指在伺服阀前安装一个过滤模块，该模块由三个截止阀，一个10~20的滤器和一个污染发讯器组成，如图5所示。在正常工作时，截止阀1和2打开，截止阀3关闭，油液通过滤器进入到伺服阀。当滤器进出口的压差达到设定值时，污染发讯器报警。这时，先打开截止阀3，然后关闭截止阀1和2，就可以在系统正常运行的情况下更换滤器。


图5 过滤模块原理图

该过滤模块的优点：在油液进阀前增加了一道过滤保护，延长阀的使用寿命，增强系统的可靠性和稳定性；具有在线更换滤芯的功能，方便系统的工作和维护。
4 结论
七〇四所在原有射流管伺服阀的基础上，通过上述的一系列技术改进和创新，开发射流管伺服比例阀，安装接口按ISO4401标准。实践证明，由于采用外接滤器和过滤模块，其抗污染能力强，对油液的清洁度要求等同于比例阀；同时，该阀的设计上主要通过改善工艺性来降低成本，并不降低加工精度，故其控制性能及精度完全等同于伺服阀，但与同规格伺服阀相比体积稍大。射流管伺服比例阀的研制解决了伺服控制对油液过滤要求苛刻、制造和维护费用高和比例阀响应快速性差的问题，迎合了目前市场的需求，在航空航天及各类工业控制场合都有广阔的应用前景。

参考文献
R.H.Maskrey, W.J.Thayer. A brief history of electrohydraulic servomechanisms 【J】. In：ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control, June 1978
吴根茂 等.新编实用电液比例技术【M】.浙江大学出版社，2006
雷天觉 主编.新编液压工程手册（上）【M】.北京理工大学出版社，1998
黄增 等.射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀比较【J】.流体传动与控制，2007（4）：43-45

JET PIPE SERVO
PROPORTIONAL VALVE

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ZHANG Minying QU Lipeng WANG Yahong
(The No.704 Research Institute of China Shipbuilding In