电液控制阀设计与应用的发展
英文：J. C. Jones，穆格澳大利亚有限公司1 前言本文概述当今电液伺服阀和比例阀的发展历程，并讨论设计是如何影响它们的应用。伺服阀是什么，而比例阀又是什么？两种装置的阀芯移动均与输入信号成比例。人们对伺服阀的定义似乎更易于趋同，而比例阀则被视为具有比例功能且逐步被要求具有越来越多伺服阀特性的直动阀（DDV）。两种装置均能比例的移动阀芯，我不打算严格地定义它们。两者的差别也会因人而异。这将在附录中进一步讨论。2 伺服阀和比例阀的发展历史2.1 战前二战前，过程控制领域发生了几件重要事件。气动元件被用于计算、控制和信号传输，这导致了对控制阀的需求。阿斯卡尼亚调节器公司（Askania Regulator Company）和阿斯卡尼亚－沃克德国公司（Askania-Werke, Germany）开发出一种采用射流管原理的阀，并注册了专利。该阀可将流体压力转化成一股射流的动量，该射流被引导进入两个接收器，射流的动量在接收器中重新转化为压力或流量。
与此类似，福克斯波罗（Foxboro）开发出喷嘴挡板阀，该阀利用挡板靠近锐缘阻尼孔所形成的圆柱形遮挡阻尼孔区域进行工作，图2。
图2 喷嘴挡板阀德国的西门子（Siemens）开发出双路输入阀，该阀通过弹簧接受机械输入，通过移动线圈、永磁铁马达接受电气输入。该阀被用于闭环位置控制，成为用于飞机自动飞行控制领域阀的先驱。2.2 二战后二战末期，伺服阀阀芯外一般有阀套，阀芯由一个直动式马达驱动，通常是一个直流电磁铁推动一根弹簧，即阀芯的单级开环控制。控制理论的成熟已使伺服阀的应用得以巩固，军事上对于尖端技术的需求正推动着伺服阀的大量研究和开发。1946-英国汀斯利（Tinsley）注册了第一个二级阀的专利。-雷神贝尔飞机公司（Raytheon and Bell Aircraf）：带反馈的二级阀。-美国麻省理工学院（MIT）：真正的力矩马达代替电磁铁，这意味，更低的功率&改善的线性度。高增益闭环电气反馈以减少一级中高摩擦的影响。1950- W. C.穆格（W. C. Moog）：第一个二级阀，采用带单喷嘴阻尼孔的无摩擦一级阀，图3。分辨率较高和响应较高
图3 单喷嘴二级伺服阀（1950年）1953 - 1955- T. H.卡尔森（T. H. Carson）：二级伺服阀，带无摩擦一级+机械力反馈，图4。两者均为重大革新，并且：改善分辨率同时改善响应并减少因温度和供油压力变化所产生的漂移。W. C.穆格：同上，但带机械对称的双喷嘴阻尼孔桥路。进一步减少零位漂移。沃尔平（Wolpin）：将力矩马达从流体中隔离，即 “干”式力矩马达。解决了“湿”式力矩马达因磁性污染微粒所致的固有可靠性问题。
图4.机械反馈二级伺服阀(1955)1957- R.阿特奇利（R. Atchley）：带阿斯卡尼亚射流管的二级伺服阀，图5。单一进油口，意味着故障形式得以改善。1959-R.阿特奇利：带电反馈(EFB)的三级伺服阀
图5. 射流管伺服阀(1957)1959年2月的《液压与气动》杂志用12页篇幅对所能找到的所有形式的伺服阀进行了一次全面精彩回顾，反映了当时日新月异的发展状况。单级阀、二级阀、带或不带反馈的、喷嘴挡板先导阀、滑阀先导阀、射流管先导阀、双输入阀以及大流量三级阀的制造厂商，有大约20多家。可见，众多制造厂商以及不同设计理念竞争激烈，力求脱颖。回顾往昔，我们可看见各种迥异的设计理念最后统归为几个优选要点：大多数采用带力矩马达和带反馈的二级设计。1960年可列举出的重要特性摘要可见，大多数现代特性均已列出！l 从二级反馈至一级（即闭环阀芯控制）：可靠性改善，线性更好，在诸如污染、压力变化和惯性力的外部干扰下零位稳定性更好。l 质量轻且位移小的力矩马达：允许更高的闭环增益，动态性能更好，进而提高零位稳定性。l 液压一级输出驱动压力（DP）可达供油压力的50％（常规）甚至更高：阀芯驱动力大，可克服污染/淤塞。打开中央先导阀，避免先导阀淤塞。l 无摩擦一级+从工作介质中隔离：分辨率尽可能高且不会因油带来金属微粒集聚于磁回路。l 机械对称一级：因温度和压力变化所产生的零位漂移最小。以上是从二战末期到1960年，电磁铁直接驱动控制阀（开环）向带反馈的二级阀（闭环）变化的过程。比例阀的发展有着类似的历程，最早的形式也是用产生直接推力的电磁铁作用于弹簧以开环的方式控制阀芯。后来在阀芯位置采用了闭环形式，其原因与伺服阀相同。伺服阀的发展主要与军事用途相适应，在军事上，电液系统用于雷达驱动、火箭发射装置导向平台的驱动和控制。在这些用途中，早期伺服控制的实现与维护所带来的高昂费用是可以接受的。它们的用途拓展到导弹的飞行控制和“有限授权（limited authority）”的飞行控制系统。随后的太空时代不仅有类似的工作要求，还对高速下大质量物体的定位提出了空前的可靠性要求。该用途就是通过驱动火箭引擎的喷嘴或将较小质量叶片定位于排气流之中来实现飞行控制。非常复杂的亢余电液机械系统被开发出来。同时，工业上的用途也得以发展。轧机、打铆机、弯管机等机器设备开始实现数字控制（NC），大多数使用电液系统。2.3 工业阀有些公司开始开发仅用于工业用途的阀。另一些公司如穆格（Moog）最初采用“工业化”的航空阀以满足工业专用阀的需求。最早在1963年，“73”系列阀就降低标准，采用了当时较低的工业过滤标准，配有一个保护先导级的最后一级过滤器，同时还配有一个可更换的较粗的过滤器。这种发展延续下来，出现了更多款式的阀，都具备上述全部关键的“1960”特性，但又有以下特点：l 阀体较大（相对于航空阀）以便于加工，采用铝而不用铸钢。l 一级分开，便于调整和维护。l 较少关注于高压，例如，采用1000 to 2000 psi，而不采用飞机常用的3000 psi。l 努力实现阀型标准化一个日益增长的用途是飞行动作模拟，该用途逐步用于各个领域，从而孕育了测试行业，以至于从硬纸盒到汽车所有东西都被放在电液自由度平台上上进行实验。机器人出现并采用电液系统多年。塑料制造业借助于电液系统的驱动和精确度，加上闭环控制对重复性能的改善，从而提高了吹模和注模部件的质量。电液控制系统的使用使生产诸如照相机和镜头这样的产品第一次成为可能。气和蒸汽轮机使用伺服阀进行可靠的速度控制。钢铁业是一个独特的分支。在这里，液压驱动是必须的，电液系统的可控性被充分用于诸如厚度控制之类的用途。有时大流量意味着三级阀需要满足与小流量阀相同的控制要求。这些钢铁业工艺用途一直是高性能伺服阀的领地，而新材料处理用途则被比例阀占领。比例阀通过对重型钢卷的平滑控制可提高产量和灵活性。2.4 在欧洲大约1970年后的发展在欧洲，或许可以穆格德国分公司作为代表，电液阀的应用比在美国更专注于高压。典型的3000 psi / 210 bar / 21 MPa相当普遍，上限常达5000 psi。阀设计的演变基于确保在如此高压下的稳定性和寿命。1973穆格德国：意识到工业对标准化的需要，穆格将某些个性化阀口形式统一为工业标准的NG / CETOP阀口形式。博世（Bosch）：博世板式伺服阀是在阀发展历程中一个有趣的里程碑，它研发了一个具有射流管先导级、一个霍尔效应反馈传感器，以及对于伺服阀重要的“第一次”：用于闭环控制的集成电子放大器，图6。1974穆格比例阀。穆格德国将带二级先导阀的直控阀（DCV）主阀与带电反馈的随阀携带的电子元件组合在一起。这种三级阀为塑料注塑业提供了一款低价大流量阀，图7。除了它采用“按图加工”的零位，而非配研的零位，它在绝大多数特性方面达到了伺服阀水平。威格仕（Vickers）：威格仕KG比例阀采用力马达先导阀进行压力补偿。没有反馈到第一级。力士乐（Rexroth）、博世和其他公司采用各自的标准直控阀的双电磁铁进行比例控制，每个电磁铁控制阀芯的一个方向。
图6 带集成EFB的伺服阀
图7 带集成EFB的比例阀3 控制阀相关技术的发展回顾影响控制阀设计、制造和应用，并与之齐头并进的相关技术的发展，不无裨益。3.1 电子元件最早的阀输入是机械，但是其全部控制潜力只能通过电气界面实现，这样，伺服阀成为电气控制和液压动力源两个界面之间的结合点。真空管放大器使电液控制成为可能，固态技术的提高使之成为现实。固态电子元件的历史始于单晶体管，最终采用许多组晶体管，制成了用于逻辑控制的高增益运算放大器。同时，晶体管被小型化并被成千上万地集成，制成了数字计算机。由晶体管和线性输出组成的运算放大器使伺服阀只需± 10 到 ± 100 mA的低电源输入。以市场的低价部分为目标的比例阀，需要等待稍长的一段时间，以获得同样较低价、并能满足1～4 A要求的电子元件。这些驱动级采用脉冲宽度调制，而非线性。低价的杂交电子元件的出现，降低了价格，减小了尺寸，提高了抗震性能，并且，随着“表面安装”元件的继续发展，允许一级电子元件随阀装置于伺服和比例阀上。3.2 控制理论3.2.1 连续时间-模拟二战后，劳斯（Routh）, 奈奎斯特（Nyquist）, 波德（Bode）等人为连续时间控制理论奠定了坚实的基础，频率响应和根轨迹等方法使得设计符合稳定性和工作特性要求的系统成为可能。实现这些控制理论的电子硬件变得更便宜且更可靠。3.2.2 不连续时间-数字六十年代早期，电脑首次取代了完整的过程模拟仪器系统，数字控制理论和硬件从此发展起来。不同的硬件阶段环环相扣，被称为直接数字控制、小型计算机控制、微型计算机控制，最后，数字控制得以全面使用。理论的一个重大突破是1952年的Z变换，这个已存在了好几百年的拉普拉斯变换的离散方程的运用。其它基础性的理论进展随之而来：状态矢量空间理论、优化和随机控制以及适应性控制。现在我们正考虑将模糊逻辑与上述理论结合，这或许可消除明确定义复杂系统中的每一个变量的烦恼。我们再次强调在高性能回路中的伺服阀需采用正确的控制理论以获得它们最好的性能。尽管比例阀的目标通常是次关键的应用场合，但是运用和精通闭环控制技术同样可使它们在应用中受益匪浅。3.3 过滤技术控制阀对过滤的要求是：l 保护先导阀l 延长主阀的寿命3.3.1 保护先导阀内部安装在控制阀中的内置阀过滤器对一级阻尼小孔提供绝对最后机会保护。直到60年代，可供选择最好的过滤器是战后发明的烧结青铜过滤器。这种深度型过滤器容易过载，并且还允许微粒移动。伺服阀结果获得“对污染太敏感”的坏名声。网眼的运用使得与污染相关的故障大幅减少。对于不同的先导阀，过滤器网眼间隙可在20～100微米之间。外部现在滤除可能堵塞先导级的25～50微米颗粒相对容易。β15 > 75或更好（没有旁路单向阀）的过滤器很容易找到。3.3.2 主阀的寿命和平稳动作刃口节流台肩的寿命、避免微粒卡入阀芯-阀套之间的间隙均有赖于主供油路的过滤。滤除可能淤塞阀芯-阀套之间3～6微米间隙的颗粒是困难的。具有较大阀芯的比例阀间隙值为8 - 12微米。3.3.3 过滤器的级别多年以来，过滤器是个“黑魔术”，每个制造商均按照名义或绝对参数对其产品划分等级，各自所用方法相互之间无法对比。关于如何科学探讨过滤技术，70年代的学术研究为制造商们提供了统一的测量方法，推动了过滤技术的巨大进步。多次通过实验是最著名的方法，通过这一方法，俄克拉荷马（Okalahoma）州立大学制定出Beta等级。尽管该分级制度仍有一些缺点，但提供了在世界各地实验均适用的过滤等级数据。同时，ISO分级被用于定义油的清洁度和污染的程度等级。这种分级已发展到从小至2微米的颗粒开始考虑，这也意味着将来分级起点将更高。这样，新的理论取代了“黑魔术”，确保了污染控制的理性方向。然而，事情并不是那么简单。我们至今仍常常在应用中遇见伺服阀粗糙的“最后机会”过滤器堵塞，这表明上述知识并未被正确地运用于系统过滤的选择及其维护。3.4 材料3.4.1 反馈弹簧上的反馈球反馈弹簧与阀芯连接的地方通常是悬臂反馈弹簧端部的一个精密的钢球。钢球的磨损造成反馈路径上的松动，从而影响阀的稳定性和寿命。油越干净，这种磨损则越小。替代材料有碳化钨和蓝宝石。还有一种选择是为小球设置一个蓝宝石导向套。3.4.2 阻尼孔阻尼孔最早是钻出来的，后来采用放电加工机(EDM)加工而成。对于液压惠斯登桥路中的微小的温度和供油压力变化，阻尼孔必须保持稳定。70年代中叶，兰宝石阻尼孔作为一种降成本的手段从钟表制造业引进而来。3.4.3 阀芯与阀套除了在90年代，在以水作为介质的特殊用途中采用陶瓷阀芯与阀套，阀芯与阀套的材质没什么变化。3.4.4 力马达磁铁80年代，为电马达而开发的稀土磁铁克服了通用铝镍磁铁输出力小的缺点。这使得力马达具有较大输出力成为可能，穆格采用它们进一步研发出抗污染和抗流体力更强的单级阀，图8。
图8. 直动阀4 设计问题和对应用的影响4.1 现有先导阀技术直接驱动先导阀两级先导阀电磁铁力马达喷嘴挡板射流管阀芯驱动力重要相关：-流体力-细片剪切能力-二级的频率响应低中高高～最高频率响应重要相关：-主阀的频率响应低～中中～高高～最高高阻尼重要相关：-主阀的频率响应低低中低动态线性 -重要相关：-正弦波实验低～中中中～高矛盾：小=好大=差低～中零位稳定性重要相关：-位置和压力控制低～中中～高高高现场维护性高低低低表1 现有先导阀的特性4.1.1 阀芯驱动力表2.是各制造厂商所生产CETOP 5 [10通径]控制阀的回顾，可见可能的压力级别范围很宽。阀芯驱动装置典型阀芯驱动力[N]比例电磁铁比例电磁铁线性力马达液压先导阀液压先导阀力控制位置控制位置控制减压到5～20 bar满量程压力210 bar50 to 10010040050 to 2002000表2 阀芯驱动力比较[参考文献5]对先导阀所能提供给主阀的驱动力要求：l 克服导致阀口关闭的流体力。这些流体力的最大极限只能等于所能提供的驱动力。l 克服微小污染物的卡阻，剪断卡在台肩处的所有细片。这些力并非可忽略不计，相反可达200到1000 N。l 提供满足二级频率响应的加速度。对于阀，这又将是个极限。在阀芯位置采用闭环控制的优点是：如果阀芯没有按指令动作，它能带来较大的力纠偏。例如，给一个开环阀20％驱动信号，阀芯移动行程的20％，此时，弹簧的反作用力也是20％。如果出现等于阀芯驱动力10％的流体力，阀芯将关闭10％。一个处于相同情况下的闭环阀，将只需要1～4％的阀芯偏差就可产生10％的额外驱动力，也就是说，阀芯具有硬得多的控制特性。仅这种特性已使得闭环控制阀的抗污染故障能力大为增强。在这方面，电气反馈比机械反馈又前进了1～2步，它通过采用更高增益的环路，使得抗干扰（无论因污染还是因流体力引起）效果更好。图9显示流体力如何影响控制，可见即使满足产品说明书条件，对CETOP 5比例电磁阀的阶跃输入仍已导致剧烈振动。
图9 阶跃输入[参考文献5]4.1.2 动态线性对于实验用途，正弦波尽可能完美是重要的。为达到此目的，控制阀的每一级必须尽可能是线性的。这里有个矛盾是：为了先导阀的线性，通常需要小行程。这就不可避免地需要更小型、更精确，因此也更昂贵的先导阀，典型的就是较小形式的喷嘴挡板先导阀。如果先导阀是线性的，以一个好的反馈传感器为中心的紧凑反馈环是使动态线性最大化的第二步。带电气闭环的电反馈提供了最具潜力的解决方案。在一些比例阀中，小先导阀与大阀芯配合使用，比例区间可达15％。这样的阀无一例外具有良好稳定的静态特性，以及快速的小信号阶跃和频率响应。但对于大信号，即超过15％的信号，将出现速度饱和，从而使正弦波变为三角波。高频时所需的加速度力增加，当其超过先导阀所能提供的最大驱动力时，将发生进一步失真。
图10 一个比例阀被限制的线性动态区域尽管闭环阀芯控制的优点很多，但其固有的缺点是比开环阀慢。因此，开环阀有时仍用于对高响应要求极高的场合。4.1.3 控制和稳定性－频响和阻尼一级的频响和阻尼对于所有阀的控制和稳定性均至关重要。喷嘴挡板的自然谐振频率可毫不费力地做到300～1000Hz。同时，它的阻尼约为0.3，适中却便于使用，这可简化阀芯位置环路。另一方面，电磁铁或力直接驱动马达慢得多，这使得围绕它形成闭环更为困难。不得不采用更复杂和要求苛刻的控制技术，例如加速度控制，以获得基本合理的频率响应。对于单级阀，还有一个不能完全忽视的困难，就是负载的动态性能也会影响阀的稳定性，这一点与二级阀不同。先天阀芯驱动力较低，加之这种附加负载依赖因素使得直接驱动阀的稳定性比二级控制阀更为重要。事实上，正如许多传统的液压元件，在某些负载不稳定的环境中，它们趋向于不稳定。4.2 基于用途选择阀开环闭环用途位置速度压力/力频率响应不可能重要阀或负载可能限制可用的增益阀或负载可能限制可用的增益阀几乎总是环路增益的限制条件零位对正/状况-压力增益较重要轴向对正可带来最佳压力，进而带来最佳位置控制正遮掩ok轴向对正可带来最佳压力控制静态特性-滞环-分辨率对于控制重复性能重要重要重要对于精确控制尤其重要零位稳定性-温度-供油压力-振动不可能重要重要，但控制器可补偿长期漂移重要，但控制器可补偿长期漂移重要，但控制器可补偿长期漂移一级阀芯驱动力-频率响应（加速度）-抗阻塞和细片剪切能力重要，对于能克服因污染阻塞以及其他原因产生的阀芯卡阻力同左同左-见上述频率响应-同左，尤其如果长期在小流量下保持压力线性-准静态-动态有些重要仅对于正弦实验重要同左同左表34.2.1 位置环+零位对正/压力增益+零位稳定性对于一个位置控制环，零位对正（压力增益）和零位稳定性可被用来给出最恶劣工况：控制阀驱动需要保持负载静止不动。再结合增益，就是评价所有情况下位置精确性的简捷方法。所需的总阀驱动包含补偿阀误差或不确定性（如滞环、分辨率、温度或供油压力所致漂移）之所需，以及产生推动负载的驱动压力之所需。表4对采用不同阀芯控制方式：电反馈[EFB]、机械反馈[MFB]以及开环的伺服和比例阀作了一个比较。首先应注意的是：在“典型阀芯不确定性”方面，电反馈优于机械反馈，机械反馈优于无反馈即开环。其次，相对于典型的“按图加工”的比例阀零位，伺服阀经选配的零位在各种负载变化的情况下，产生的误差较小。阀芯控制方式最常用的阀芯不确定性[%]典型总阀芯不确定性+误差对于最大ΔP=总阀驱动方式滞环分辨率D T55°CD Ps70 barD Pt35 bar% 输入100% D Ps[%]伺服阀电反馈0.50.1212+3=5机械反馈30.52223+3=6开环6>>2.511424212+3=15比例阀电反馈10.31.52+53=7机械反馈325+53=10开环6>>2.511424212+53=17注：1. 典型总阀芯不确定性，有些武断：>> 1/2滞环+分辨率+ 1/2 D T55°C + 1/2 D Ps702. D Ps= 40% Ps, D Pt= 10% Pt3. 假定一个机加工的准零位具有典型的± 3%正遮掩。表4 阀设计百分比误差比较附录1 伺服阀和比例阀的区别下表列出区别所谓伺服阀和比例阀的部分特性。所列的为两类阀所具特性的两极，实际上，两类阀的变种均可能具有中间地带的特性。定义因制造商而异，也常因制造商的市场目标不同而不同。有些制造商用一种伺服阀，去掉其某种导致价格昂贵的特性而生产出一种比例阀；而与之相反，有些制造商用一种直接控制阀，改进其性能也生产出一种比例阀。这导致被称为“比例阀”的阀范围很广。伺服阀“中间地带”比例阀应用场合-闭环- - - - - --开环价格-较高，可能昂贵- - - - - --较低阀芯-阀芯和阀套- - - - - --阀芯和阀体零位状况-轴向对正（零遮掩）- - - - - --正遮掩量大，最大达20％阀芯行程-较短- - - - - --较长动态性能-优良- - - - - --较差静态性能-优良- - - - - --较差，可能差尺寸和重量-多数较小- - - - - --多数较大两极区域所列特性是选择其中一类阀的典型原因。作者倾向于认为零位可清楚地将伺服阀与比例阀区分开来。例如，穆格所制造的比例阀除了零位状况，在所有特性方面均可与伺服阀媲美，甚至具有更好的行程-独立动态性能。传统应用具有优良动态和静态性能的轴向对正伺服阀用于大多数要求很高的位置和压力控制环。较便宜的正遮掩比例阀优先用于物料运输系统的加速-减速控制，通常为开环，由限位或接近开关触发产生斜坡电信号。应用的分界线常常根据哪种阀的抗污染能力更强而划分。附录2 关于阀零位重要性的解释2.1 位置和压力控制环在其历史上，伺服阀大部分时间都用于这些场合，在零位区域控制工作油口的压力。在此区域，P口到工作油口到T泄漏油口之间存在一种液压桥路关系。通过这种方式，流量控制阀可控制流量。对于一个轴向对正阀，所有这些发生在零位附近的±3 %行程之内。为此，也为了获得好的零位性能，显然需要好的阀芯位置控制。通过配研阀芯与阀套，并且分别研磨与阀套上相应台肩配合的阀芯上的4个节流台肩，可获得这些好的零位性能。这些台肩磨过后，需用空气或油测量检查，这一工艺重复多次，直到获得所需零位为止。这样一个高重复精度的零位是伺服阀的一个昂贵之所在，但它使得泄漏量、工作油口压力和压力增益具有可重复性。
图11.压力曲线的变化较低级的伺服阀采用可互换的阀芯阀套，零位压力和流量特性波动范围较大。若零位压力和流量能得以补偿或应用场合允许，这些阀的工作性能也能令人接受。只有阀芯行程较长时，才能采用这种可互换阀芯技术。2.2 速度控制环当速度要求超过5％阀开度时，零位状况不重要，可采用正遮掩控制阀。2.3 带死区补偿的正遮掩正遮掩量达20％的比例阀最早采用该项技术。通过电气修正命令从正遮掩的一边跳到另一边，从而实现补偿“跳过”死区。该技术现在有时用于精度要求一般或零点附近动态要求低的位置环。所受制约是：阀跳过死区的动态响应和压力特性通常“软得象玉米糊”。优点之一是可以少用一个用于执行器液压锁紧的辅助阀。