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第九章 电动液压伺服阀技术

9.1简介

电子与液压动力系统之间的结合导致了具有许多强大而精确的控制系统的出现，节省了很多精力和金钱。该概念适用于电动液压比例和伺服系统。这些系统具有与液压动力系统相同的优点，特别是最大液压比和液压执行器的高刚度。他们也具有与电子控制器相同的优势，特别是关于高可控性和精度。流体动力工程有四类控制阀使用电子控制器。 它们包括以下内容。

• 普通或切换阀：广泛用于开启阀和关闭。
• 电液比例阀：通常在开环控制系统中使用。它们通过电子方式控制产生与压力成比例的输出压力或流量输入信号。它们具有诸如控制反转，控制参数的无级变化，以及减少特定控制工作所需的液压装置的数量。
• 电液伺服阀：通常用于闭环（反馈）控制系统。 “伺服概念”被广泛使用表达。单独来看，它表示一种系统，在该系统中，低功率输入信号被放大以生成受控的高功率输出或信号。低功率输入信号，用于例如，0.08瓦可以提供功率超过100 kW的模拟控制。从精度和响应速度的角度来看，电液伺服系统是最好的控制器之一。它们用于控制几乎所有液压和机械参数，例如压力，压差，角速度，位移，角位移，应变，力等。电动液压伺服阀早在1940年代就已用于军事装备。
• 数字阀：其中微处理器发送离散信号脉冲输入到步进电动机，步进电动机又将阀门的控制元件定位。

9.2电液伺服的应用

两个主要的性能参数用于对大多数电液伺服器。 其中之一是尺寸，即功率或流量，第二是动态行为。 对于为方便起见，功率被定义为控制设备，而动态行为可以由自然频率。 驱动器的固有频率及其结果总增益对于相关驱动器的闭环控制精度至关重要。 表9.1显示了电液伺服器在工业和航空航天领域的主要应用，其性能的局限性。

9.3电磁马达

电液系统通过电子或数字方式控制控制器。 在这些系统中，电子和液压子系统应该通过元素转换相互连接将低功率电控制信号转换成比例机械驱动液压动力元件的信号。 这个元素是通常是电磁马达。

在实践中，几种类型的电动机用于转换电动控制信号转换成比例机械信号，例如以下：

• 电磁扭矩电机
• 单作用比例电磁阀
• 双作用比例电磁阀
• 线性力马达

电磁扭矩马达通常用于电动液压伺服阀。 他们转换的电输入信号低电平电流成比例的机械转矩。电机通常设计为可单独安装和测试。 马达被密封以抵抗液压油，其典型结构由图1和图2示出。 详见图9.1和图9.2。

由软铁磁材料制成的具有弹性的电枢（6）安装在薄壁弹簧管（2）上。 （见图9.1和9.2）

该管用作电枢的支架和定心弹簧和挡板（4），以及将电液压部分。挡板实际上是电动机的一部分，但是从功能上说，它属于液压放大器。气隙（8）为当电枢处于空档位置时，其长度相同。这个长度在某些情况下是不可调节的（图9.1），在其他情况下是可调节的（图9.2）。永磁体（1）对称放置关于气隙，并设置其永久磁场在气隙中。当电枢处于中立位置时，四个气隙尺寸相等。然后，四个空气中的磁通量差距是相等的。因此，吸引电枢的机械力上下极片（5和9）的末端相等其结果为零。在这些条件下，电动机的转矩一片空白。当线圈（7）被控制电流激励时，电枢被磁化。这个电磁体的磁场根据其极性，在两个方向上增强合成磁场对角相对的气隙并削弱了其他两个区域的电场差距。产生的反对称性导致产生的转矩作用在电枢上。输入电流极性的变化会改变扭矩方向。扭矩实际上与只要电枢位移太小，施加的电流关于气隙长度。

a频率对应于90°的相位滞后。

b流量对应于整个伺服阀的70 bar压降。

c液压功率约为210 bar。

表9.1电液伺服的主要应用领域

图9.1气隙不可调的电磁转矩电动机。 （由Moog Inc.提供）

电枢由软铁磁材料制成减少了磁滞的影响。 但是，当施加的线圈电流强度减小为零，电枢由于其磁性而不能完全消磁磁滞现象。 因此，存在低值扭矩。 图9.3a显示了典型转矩电机的转矩-电流关系。 这个数字在低电平输入电流的情况下，显示出实际上的线性关系，除了磁滞的影响。

1.永磁体，2.挠性管，3.密封圈，

4.挡板，5.可调极螺丝，6.电枢，

7.控制线圈，8.气隙，9.极片

图9.2气隙可调的电磁扭矩电动机。 （由博世力士乐公司提供。）

图9.3（a）计算出的典型电磁转矩电动机的转矩-电流关系。

图9.3（b）计算出的典型电磁转矩电动机的转矩-位移关系。

最大电功率= 170兆瓦，弹簧刚度= 27 N / mm

最大位移= 0.12毫米，体积= 24立方厘米

磁滞= 5％，气隙长度= 0.4 mm，固有频率= 770 Hz

图9.3（C）是典型的电磁转矩电动机的特性曲线和基本参数（x在电枢末端测得）。

扭矩电机的功耗在20至200 mW之间。例外的是，用于直接驱动线轴的扭矩电机是更高的功率高达5W。实际上，电动机的扭矩为甚至受电枢四肢位移的影响没有励磁电流（见图9.3b）。 给定扭矩由（,其中和为常数）。 电枢四肢位移实际上比气隙小厚度。 因此，部分（）相对于（）。 产生的扭矩，以及柔韧性管，导致位移与施加的压力成线性比例电流，如图9.3c所示。

永磁体放置在电磁体的外部电路; 因此，它们不受磁场的影响电磁体。

关键是要记住电枢位移与气隙的长度相比，应限制在较小的数值；否则，扭矩-电流和位移-电流关系变成非线性。

电磁转矩电动机具有以下优点：

• 无摩擦结构
• 磁滞效应低
• 柔性管的完美密封使电机干燥
• 液压介质中无磁场
• 相对较高的自然频率和响应速度

9.4带有插板阀放大器的伺服阀

9.4.1单级伺服阀

单级伺服阀（见图9.4）控制压力差在两个出口（A和B）之间。 它可以用作单级压力伺服阀或作为多级先导控制器伺服阀。 它由电磁扭矩马达，液压放大器设计为双喷嘴挡板阀，并且可互换过滤器元素。

图9.4单级伺服阀的结构。 （由博世力士乐公司提供）

电磁转矩电机产生正比的转矩到施加的电流。固定电枢（1）和挡板（3）通过软管（2）在中间位置。电枢的中性位置可能会由于磁滞的影响而略微偏离电枢材料。通过沟通控制电流流向线圈，扭矩电动机产生与扭矩成比例的扭矩到输入电流。该比例实际上是线性的，除了由磁效应引起的可观察到的磁滞回线电枢材料上的磁滞。产生的扭矩旋转电枢和挡板通过相对较小的旋转角度，在0.5度该旋转角度是伺服阀的致动信号。这是一个非常低功率的机械信号。因此，它被放大了通过液压放大器。液压的三种基本类型放大器用于电动液压伺服阀：挡板阀，喷射管道和射流偏转放大器。

图9.4显示了单级电动液压阀挡板阀液压放大器（也称为喷嘴挡板放大器）。 高压油通过端口（P）和精细过滤器。

图9.5（a）双射流挡板阀的布局。 （b）计算的双射流挡板阀的压力特性。 （c）两个典型的单级伺服阀的压力特性。

图9.5（续）

双喷嘴挡板阀如图9.5a所示。 这个阀由两个固定孔N1和N2以及两个调节挡板组成喷嘴。 输入控制压力Ps通过节流孔降低N1和N2以及喷嘴。 如果截面积两侧的喷嘴相同，则压降相同两者都发生。

挡板的位移改变了节气门面积两个调节喷嘴中的一个。 挡板向右运动增加左喷嘴的面积并减小喷嘴的面积右喷嘴（见图9.5a）。 压力P1减小而P2增加。 压差（Delta;P= P minus; P 2 1）与挡板的位移（见图9.5b）。 图9.5c显示了变化两个不同的输入电流对阀门压力的影响单级阀。 该图显示了大多数工作范围。 磁滞的影响和清楚地表明了饱和度。

9.4.2两级电液伺服阀

机械反馈阀

图9.6给出了电动液压伺服阀的结构（EHSV）的两个阶段。 伺服阀的第一阶段包括一个电磁式扭矩马达和双喷嘴挡板阀。 第二阶段由液压驱动的滑阀组成通过挡板阀产生的压力差。

（a）

（b）

图9.6（a）具有机械反馈的两级电动液压伺服阀（由Bosch Rexroth AG提供）

（b）具有机械反馈的两级电动液压伺服阀的轴测图。 （由Moog Inc.提供）

具有机械反馈的两级EHSV的运行（参见图9.6）由图9.7的框图和功能方案如图9.8所示。 第二次之间的反馈阀的第一级通过反馈线（8）实现一端连接到挡

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