射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的設(shè)計與實現(xiàn)

(南京機電液壓工程研究中心， 航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室， 江蘇 南京 210061)

引言

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的核心部件，其作為機械、電子和液壓技術(shù)相結(jié)合的高度精密部件，綜合了多方面的特點，具有控制精度高、響應(yīng)快、信號處理靈敏、輸出功率大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，作用是將輸入的小功率電信號精確快速地轉(zhuǎn)換為大功率的液壓能輸出,其性能優(yōu)劣直接決定著電液伺服控制系統(tǒng)的性能能[1，2]。

縱觀電液伺服閥發(fā)展歷史和當前現(xiàn)狀，可以看出電液伺服閥的發(fā)展與滿足工業(yè)需求是分不開的，也與當時相關(guān)科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平與發(fā)展階段分不開的。如在航空航天領(lǐng)域，要求電液伺服閥體積小、重量輕，于是就有了MOOG 30系列電液流量伺服閥問世。此系列伺服閥尺寸很小，重量僅1.86 N 。有些電液伺服系統(tǒng)用閥，尤其是航空航天用閥，要求可靠性很高，因此針對特定系統(tǒng)研制出余度伺服閥。工業(yè)用閥一般都要求具有一定的抗污染能力，于是研制出了DDV型直驅(qū)式伺服閥和抗污染能力較強的MK型和PG型動圈式伺服閥。隨著微電子技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，研制出了各種各樣的高性能電反饋伺服閥、數(shù)字伺服閥等，有的電反饋伺服閥的電控器采用了可編程伺服控制器，將數(shù)控技術(shù)直接應(yīng)用于伺服閥[3-5]。

隨著工業(yè)發(fā)展，伺服閥技術(shù)也在不斷地發(fā)展和提高。隨著發(fā)動機的高速發(fā)展，燃油系統(tǒng)對伺服閥的需求也日益增加，對伺服閥的安全性提出了更高的要求。某研究中心在噴嘴擋板式電液伺服閥和射流管式電液伺服閥的基礎(chǔ)上成功研制了射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥，并在此基礎(chǔ)上進行特殊設(shè)計，提高了伺服閥使用安全性。

1 射流偏轉(zhuǎn)伺服閥結(jié)構(gòu)與工作原理

射流偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)級的力反饋兩級電液伺服閥。主要由力矩馬達、偏轉(zhuǎn)板射流放大器和閥芯、閥套、殼體等零組件構(gòu)成。偏轉(zhuǎn)板射流放大器是本產(chǎn)品的關(guān)鍵元件，它由射流盤和開有導(dǎo)流窗口的偏轉(zhuǎn)板所組成，射流盤上開有一條射流槽道和兩條對稱的接受槽道。而偏轉(zhuǎn)板上開有V形導(dǎo)流窗口。力矩馬達為永磁型力矩馬達，它由2個磁鋼、銜鐵組件、上下導(dǎo)磁體及2個線圈等組成。永久磁鋼產(chǎn)生極化磁通，它平行地安裝在上、下導(dǎo)磁體之間。銜鐵組件由銜鐵、擋板、偏轉(zhuǎn)板、彈簧管和反饋桿用激光焊接和壓配方法固接在一起，用2個螺釘緊固于一級座組件上。銜鐵兩端伸入磁通回路和空氣隙中。特殊設(shè)計的鋼制彈簧管除起銜鐵擋板的彈性支承作用外，還起閥的電磁部分和液壓部分的密封作用。第一級液壓放大器的偏轉(zhuǎn)板從彈簧管中伸出，插在射流盤中間。液壓油經(jīng)過內(nèi)部油濾、射流盤、偏轉(zhuǎn)板流出，流出的液流分別作用于第二級閥芯的兩端。伺服閥的第二級采用1個普通的四通滑閥。閥套上加工有方孔節(jié)流窗口，對應(yīng)于閥芯的工作臺肩。反饋桿從擋板內(nèi)伸出，插入閥芯中間位置小孔中。

當沒有控制信號輸入時，偏轉(zhuǎn)板在射流盤中間位置時，射流槽道的射流流體被2個接收孔均等地接收，在2個接收槽道內(nèi)形成相等的壓力，閥芯兩端的壓力也相等，閥芯處于中位。當給力矩馬達線圈輸入控制電流時，由于控制磁通的相互作用，在銜鐵上產(chǎn)生一個力矩。該力矩使銜鐵組件繞彈簧管旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，從而使偏轉(zhuǎn)板運動。它導(dǎo)致射流盤上一接收口的接受面積增大，另一接收口的接受面積減小，從而使一端接收槽道內(nèi)的壓力升高，另一端接收槽道內(nèi)壓力降低，所形成的控制壓差推動閥芯運動，此位移一直持續(xù)到由于反饋桿彎曲產(chǎn)生的反饋力矩與控制電流產(chǎn)生的力矩相平衡時為止，穩(wěn)定輸出流量Q。

由于力矩馬達力矩與輸給閥的控制電流基本成正比關(guān)系，反饋力矩與閥芯位移成正比。這樣在諸力矩成平衡狀態(tài)時，便得到1個與輸入控制電流成正比例的閥芯位移，即在閥壓降為恒值情況下，輸出流量與輸入控制電流之間成比例關(guān)系射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥原理如圖1所示。

2 射流偏轉(zhuǎn)伺服閥的設(shè)計

2.1 閥體設(shè)計

該型伺服閥的閥體部分與傳統(tǒng)的雙噴嘴擋板伺服閥的閥體部分從原理和結(jié)構(gòu)上大致相同，如圖2所示，為射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的閥體結(jié)構(gòu)，它主要由殼體、閥芯和閥套組成的滑閥級、某特殊密封裝置組成。

1.線圈 2.下導(dǎo)磁體 3.射流偏轉(zhuǎn)放大器 4.閥芯 5.上導(dǎo)磁體 6.彈簧管 7.反饋桿圖1 射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥原理圖

圖2 閥體結(jié)構(gòu)

由于該型伺服閥是在航空燃油介質(zhì)下使用,工作液若暴露在空氣中,有被引燃的潛在風險。伺服閥在使用過程中，若彈簧管破裂，燃油從密封的彈簧管處滲漏，當燃油滲出產(chǎn)品上蓋的外部，燃油則暴露在空氣中，此時若燃油燃燒，就會造成很大的事故和經(jīng)濟損失，甚至是人員傷亡。

考慮到產(chǎn)品的使用環(huán)境、可靠性和安全性的要求，在設(shè)計時，首次在考慮增加某特殊裝置，當彈簧管破裂，油液滲入到力矩馬達處，該處由上蓋和密封圈保護，形成一個密閉的容腔；當油液達到一定的量就會通過該特殊裝置將油液引入到回油腔,排除了油液滲出的隱患，如此大大提高了產(chǎn)品的安全性。

2.2 射流偏轉(zhuǎn)液壓放大器工作原理與設(shè)計

與噴嘴擋板式電液伺服閥和射流管式電液伺服閥相比，伺服閥的第二級都是一樣的滑閥級，主要區(qū)別就是在第一級的放大部分，這也是射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥的關(guān)鍵技術(shù)。

如圖3所示，當力矩馬達輸入信號為零，偏導(dǎo)板處于機械零位，即偏導(dǎo)板上的射流通道的軸心線與射流片兩接收孔的對稱中心線相重合，此時由噴嘴噴出的射流將二等分地射入左、右接收孔，因而流向閥芯兩端的油液動量是相等的，閥芯不產(chǎn)生運動。

圖3 射流偏轉(zhuǎn)液壓放大器

對力矩馬達輸入某一信號電流，則射流偏導(dǎo)板按輸入電流極性和幅值向某一指定方向偏轉(zhuǎn)，因而由射流片噴嘴孔噴出的射流將相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，流入左、右固定接收孔的射流動量將相應(yīng)變化，閥芯兩端感受到射流動量不等，于是第一級液壓放大器將對閥芯產(chǎn)生相應(yīng)的負載壓力和負載流量，驅(qū)動閥芯運動。

力矩馬達電磁轉(zhuǎn)換部分的零組件結(jié)構(gòu)與噴嘴擋板型基本相同，所不同的是噴嘴擋板型的銜鐵組件與擋板設(shè)計成一體，而射流偏導(dǎo)板的銜鐵組件與偏導(dǎo)板設(shè)計成一體，銜鐵組件運動直接帶動偏導(dǎo)板運動。如圖4所示，將偏轉(zhuǎn)板與反饋桿設(shè)計為一個整體，既保證了偏轉(zhuǎn)板隨銜鐵組件偏擺運動的線性，又保證了偏轉(zhuǎn)板與射流片配套的間隙的對稱性。

圖4 銜鐵組件

由于該產(chǎn)品在燃油環(huán)境下使用，產(chǎn)品設(shè)計時所選的材料應(yīng)能在燃油介質(zhì)下使用。其中，彈簧管為伺服閥的關(guān)鍵零件，根據(jù)多年的伺服閥生產(chǎn)實踐與經(jīng)驗，彈簧管的材料一直選用國外進口的鈹青銅材料，工藝成熟，狀態(tài)穩(wěn)定。

由于在燃油介質(zhì)中，不宜使用銅材料的零件，因此在設(shè)計時要選用能滿足彈性要求和強度要求的鋼材料來替代。經(jīng)多年調(diào)研、委托研制、分析和驗證，選用了某牌號弱磁性耐腐蝕高彈性合金，該合金固溶或冷應(yīng)變后時效處理，可獲得高的力學(xué)性能和彈性性能[6]。解決了燃油介質(zhì)用伺服閥第一關(guān)鍵技術(shù)要素。

3 性能試驗

在某型燃油伺服閥試驗驗證平臺對該型伺服閥進行靜態(tài)和動態(tài)性能測試，采用labVIEW軟件編制的測試程序進行采集繪制性能曲線。性能曲線如圖5和圖6所示。

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圖5 靜態(tài)性能曲線

圖6 動態(tài)性能曲線

從圖5所示靜態(tài)性能曲線中可以看出閥的稱度為、線性度、滯環(huán)等性能良好，產(chǎn)品內(nèi)漏值小，且零偏和流量均滿足該型指標要求。

從圖6所示動態(tài)性能曲線中可以看出幅頻值和相頻值較高，均滿足動態(tài)指標要求。

4 射流偏轉(zhuǎn)板閥的特點

(1) 前置級采用了射流偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)取代了傳統(tǒng)的雙噴嘴擋板式。很大程度提高了抗污染能力。

常用的噴嘴擋板伺服閥，其噴嘴擋板間距太小，它的噴嘴擋板間距在0.03～0.05 mm，所以噴嘴擋板之間的可變節(jié)流面積也偏小，一旦有過大的污染物經(jīng)過就可能卡在這里，破壞流體的正常流動而影響整個伺服閥的性能，甚至使伺服閥失效，因此它的抗污染能力偏低[7]。

而射流偏轉(zhuǎn)板閥，偏轉(zhuǎn)板與射流片之間的間隙在遠遠大于0.03～0.05 mm，比雙噴嘴擋板間隙約大一個數(shù)量級，因此前置級抗污染能力較雙噴嘴擋板閥約提高了一個數(shù)量級，且抗污染能力不亞于射流管伺服閥。

(2) 動態(tài)特性較高，射流偏轉(zhuǎn)板結(jié)構(gòu)相比較于射流管結(jié)構(gòu)，在保證其抗污染能力的前提下，降低了其力矩馬達的轉(zhuǎn)動慣量，提高了伺服閥的整體動態(tài)特性。

(3) 剛性較強耐振動較強，零位穩(wěn)定性好，加速度下零位漂移小。

(4) 射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥壓力使用范圍寬，適用于2～28 MPa壓力范圍下使用。

(5) 采用特殊密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，防止彈簧管漏油影響產(chǎn)品的使用安全，不僅適用于航空燃油系統(tǒng)環(huán)境,同樣也適用于航空液壓系統(tǒng)環(huán)境。

5 結(jié)論

該伺服閥主要是為某型發(fā)動機系統(tǒng)研制，產(chǎn)品在燃油環(huán)境下使用，在很大程度上擴大了伺服閥的應(yīng)用領(lǐng)域，同時在結(jié)構(gòu)上有一個全新的突破，為其他燃油伺服閥的設(shè)計與開發(fā)提供參考依據(jù)，具有較大的發(fā)展?jié)摿褪袌銮熬啊?/p>

參考文獻：

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[7] 陳元章，陳曉東.也談噴嘴擋板伺服閥與射流管伺服閥的比較[J].液壓與氣動，2012，(11)：103-109.