电液伺服阀：原理与组成

1.概述

在液压系统中，伺服控制阀有机液伺服阀和电液伺服阀等。机液伺服阀类似于前述的柱塞泵变量机构所采用的伺服变量阀。本小节主要介绍电液伺服阀。电液伺服控制阀是一种将小功率电信号转换为大功率液压能输出，实现对流量和压力控制的转换装置。它集中了电信号具有传递快，线路连接方便，便于遥控，容易检测、反馈、比较、校正和液压动力具有输出力大、惯性小、反应快等优点，而成为一种控制灵活、精度高、快速性好、输出功率大的控制元件。

2.电液伺服阀的分类及组成

（1）电液伺服阀的分类

1）按电-机械转换器的结构，可分为动圈式伺服阀（动圈式力马达常与作为前置级要求行程较长的小型滑阀式液压伺服阀配合使用）和动铁式伺服阀（动铁式力矩马达常与作为前置级的工作行程较小的喷嘴挡板式及射流管式液压伺服阀配合使用）两种。

2）按液压前置放大器的结构形式，可分为滑阀式伺服阀、喷嘴挡板式（双喷嘴或单喷嘴）伺服阀和射流管式伺服阀三种。

3）按液压放大器的串联级数，可分为单级伺服阀、二级伺服阀和三级伺服阀。

4）按伺服阀的功用，可分为流量伺服阀（用于控制输出的流量）和压力伺服阀（用于力或压力控制系统）两种。

5）按反馈方式，可分为无反馈伺服阀、机械反馈伺服阀、电气反馈伺服阀、力反馈伺服阀、负载压力反馈伺服阀、负载流量反馈伺服阀等数种。

6）按液压能源，可分为恒压源式伺服阀（即进入液压放大器的液压源的压力为恒值，而流量是可变的）和恒流源式伺服阀（即进入液压放大器的能源流量是恒值，而压力是可变的）两种。

（2）电液伺服阀的组成 电液伺服阀由电-机械转换器（力矩马达或力马达）和液压放大器组成。

3.电液伺服阀放大器的结构形式

电液伺服阀中常用的液压放大器有滑阀式液压放大器、喷嘴挡板式液压放大器和射流管式液压放大器三种。

（1）滑阀式液压放大器（简称滑阀） 根据滑阀的控制边数（起控制作用的阀口数）的不同，可分为单边滑阀、双边滑阀和四边滑阀三种，如图2-81所示。

图2-81a所示为单边滑阀，它只有一个控制边（可变节流口），有负载口和回油口共两个通道，故又称为二通伺服阀。由于只有一个负载通道，只能用来控制差动缸。一般使缸的有杆腔与供油腔常通（以产生固定的回程液压力），还必须和一个固定节流孔R配合使用，才能控制无杆腔的油压。当滑阀向左（或向右）移动时，控制边X_s的开口增大（或减小），控制了缸中的液压力和流量，从而改变缸的运动速度和方向。

图2-81b所示为双边滑阀，有两个控制边（可变节流口），它有供油口、回油口和负载口共三个通道，故又称为三通伺服阀。因只有一个负载通道，也只能用来控制差动缸，故应使缸的有杆腔与供油压力常通（形成固定的回程液压力）。液压油经滑阀控制边X_s1的开口与缸的无杆腔相通，并经X_s2的开口回油箱。当滑阀向右移动时，X_s1的开口增大，X_s2的开口减少；滑阀向左移动时，X_s1的开口减小，X_s2的开口增大。这样，就控制了液压缸无杆腔的回油阻力，从而改变差动缸的运动速度和方向。

图2-81 滑阀式液压放大器

a）单边滑阀 b）双边滑阀 c）四边滑阀

图2-81c所示为四个控制边的四边滑阀，它有供油口、回油口和两个负载口，共四个通道，故又称为四通伺服阀。因它有两个负载通道，故能控制各种液压执行元件。控制边X_s1和X_s2是控制液压油进入执行元件左、右油腔的，控制边X_s3和X_s4是控制左、右油腔通向油箱的。当力矩马达驱动滑阀向右移动时，控制边X_s1和X_s4的开口增大，控制边X_s2和X_s3的开口减小；向左移动时，情况相反。这样，就控制了进入执行元件左、右腔的液压力和流量，从而控制了执行元件的运动速度和方向。

从控制角度，四边滑阀的性能最好，双边滑阀居中，单边滑阀最差。从加工角度，单边滑阀容易、成本低，双边滑阀居中，四边滑阀加工困难、成本高。通常，四边滑阀用于精度和稳定性要求较高的系统；单边滑阀和双边滑阀用于一般精度的系统。

根据滑阀在零位（中间位置）时的开口形式，可分为负开口（正遮盖）、零开口（零遮盖）和正开口（负遮盖）三种类型，如图2-82所示。

图2-82 滑阀在零位时的开口形式

a）负开口（t＞h） b）零开口（t=h） c）正开口（t＜h）

滑阀式液压放大器加工较困难，装配精度较高，价格贵；阀芯质量大，惯性大，阀芯固有频率低；阀芯与阀套之间有摩擦；对油液的污染较敏感；阀芯上的作用力大，因而要求控制元件的拖动力较大。滑阀式液压放大器广泛地作为功率放大器使用。

（2）射流管式液压放大器 射流管式液压放大器的工作原理如图2-83所示，它主要由射流管和接收器组成。

射流管喷出液压油的动能由接收器接收后又转换为压力能，作用在液压缸活塞上。射流管可以绕轴摆动。射流管处在中间位置时，两个接收口接收的能量相等，活塞保持不动；当射流管偏离中间位置时，一个接收口接收的能量大，压力恢复高，另一个则相反，这时液压缸的活塞就产生相应的运动。

这种放大器的优点是结构简单，加工精度要求低，抗污染能力强，工作可靠，所需操纵力小，可以直接用在小功率伺服系统中；其缺点是特性不易预测，要靠试验确定，零位损失大，油液的黏性影响大，低温性能差等。

这种放大器一般应用于低压小功率场合，可用作电液伺服阀的前置级。(www.xing528.com)

（3）喷嘴挡板式液压放大器 图2-84所示为单喷嘴挡板式液压放大器的工作原理。它由固定节流口、喷嘴和挡板组成，挡板和喷嘴之间的距离可以控制，改变其距离就改变了喷嘴和挡板之间的节流口。液压缸右端为供油压力，左端的压力靠喷嘴和挡板之间的距离控制，进而实现对差动液压缸的控制。

图2-83 射流管放大器

1—射流管 2—左接收口 3—右接收口 4—液压缸

图2-84 单喷嘴挡板式液压放大器

1—喷嘴 2—挡板 3—节流口 4—液压缸

这种液压放大器的优点是运动挡板2的惯性小，位移小，动态响应速度快，灵敏度高，结构简单，制造容易，成本低。其主要缺点是喷嘴节流口是常开的，能量损失大，效率低。喷嘴挡板式液压放大器一般作为伺服阀的前置级或功率很小的功率放大器。

4.电液伺服阀的典型结构

电液伺服阀是一种比电液比例阀精度更高、响应更快的液压控制阀。其输出流量或压力受输入的电气信号控制，主要用于高速闭环液压控制系统，而比例阀多用于响应速度相对较低的开环控制系统中。电液伺服阀价格较高，对过滤精度的要求也较高。这里仅对电液伺服阀的工作原理做简要介绍。

电液伺服阀多为两级阀，有压力型伺服阀和流量型伺服阀之分，绝大部分伺服阀为流量型伺服阀。在流量型伺服阀中，要求主阀芯的位移与的输入电流信号成比例，为了保证主阀芯的定位控制，主阀和先导阀之间设有位置负反馈，位置反馈的形式主要有直接位置反馈和位置-力反馈两种。

图2-85 DY系列直接位置反馈型电液伺服阀

a）结构 b）前置级液压放大器油路 c）电液伺服阀的图形符号

1—阀体 2—阀座 3、5—固定节流口 4—空心主滑阀 6—先导阀（小滑阀） 7—线圈（动圈） 8—下弹簧 9—上弹簧 10—磁钢（永久磁铁） 11、12—可变节流口

（1）直接位置反馈型电液伺服阀 图2-85a所示是DY系列直接位置反馈型电液伺服阀的结构，上部为动圈式力马达，下部是两级滑阀装置。液压油由P口进入，A、B口接执行元件，T口回油。由动圈7带动的小滑阀6与空心主滑阀4的内孔配合，动圈与小滑阀固连，并用两个弹簧8、9定位对中。小滑阀上的两条控制边与主滑阀上两个横向孔形成两个可变节流口11、12。P口来的液压油除经主控油路外，还经过固定节流口3、5和可变节流口11、12，小滑阀的环形槽和主滑阀中部的横向孔到了回油口，形成图2-85b所示的前置级液压放大器油路（桥路）。显然，前置级液压放大器是由具有两个可变节流口11、12的小滑阀和两个固定节流口3、5组合而成的。桥路中固定节流口与可变节流口连接的节点a、b分别与主滑阀上、下两个台肩端面连通，主滑阀可在节点压力作用下运动。平衡位置时，节点a、b的压力相同，主滑阀保持不动。如果小滑阀在动圈作用下向上运动，可变节流口11的开度加大，可变节流口12的开度减小，a点压力降低，b点压力上升，主滑阀随之向上运动。由于主滑阀又兼作小滑阀的阀套（位置反馈），故当主滑阀向上移动的距离与小滑阀一致时，停止运动。同样，在小滑阀向下运动时，主滑阀也随之向下移动相同的距离。故为直接位置反馈系统。这种情况下，动圈只需带动小滑阀，力马达的结构尺寸就不至于太大。

以滑阀作为前置级的优点是功率放大系数大，适合于大流量控制。其缺点是滑阀阀芯受力较多、较大，因此要求驱动力大；由于摩擦力大，使分辨率和滞环增大；因运动部分质量大，动态响应慢；公差要求严，制造成本高。

（2）喷嘴挡板式力反馈电液伺服阀 喷嘴挡板式电液伺服由电磁和液压两部分组成。电磁部分是一个动铁式力矩马达。液压部分为两级：第一级是双喷嘴挡板阀，称为前置级（先导级）；第二级是四边滑阀，称为功率放大级（主阀）。

由双喷嘴挡板阀构成的前置级如图2-86所示，它由两个固定节流孔、两个喷嘴和一个挡板组成。两个对称配置的喷嘴共用一个挡板，挡板和喷嘴之间形成可变节流口，挡板一般由扭轴或弹簧支承，且可绕支点偏转，挡板的转动由力矩马达驱动。当挡板上没有作用输入信号时，挡板处于中间位置——零位，与两喷嘴之距均为x₀，此时两喷嘴控制腔的压力p₁与p₂相等。当挡板转动时，两个控制腔的压力一边升高，另一边降低，就有负载压力p_L（p_L=p₁-p₂）输出。双喷嘴挡板阀有四个通道（一个供油口、一个回油口和两个负载口），有四个节流口（两个固定节流孔和两个可变节流孔），是一种全桥结构。

图2-86 由双喷嘴挡板阀构成的前置级

a）前置级 b）前置级的图形符号

力反馈型喷嘴挡板式电液伺服的工作原理如图2-87所示。主阀芯两端容腔可看成是驱动主滑阀的对称液压缸，由先导级的双喷嘴挡板阀控制。挡板5的下部延伸一个反馈弹簧杆11，并通过一钢球与主阀芯9相连。主阀位移通过反馈弹簧杆转化为弹性变形力作用在挡板上与电磁力矩相平衡（即力矩比较）。当线圈13中没有电流通过时，力矩马达无力矩输出，挡板5处于两喷嘴的中间位置。当线圈通入电流后，衔铁3因受到电磁力矩的作用偏转角度θ，由于衔铁固定在弹簧管12上，这时，弹簧管上的挡板也偏转相应的θ角，使挡板与两喷嘴的间隙改变，如果右面间隙增加，左喷嘴腔内压力升高，右腔压力降低，主阀芯9（滑阀芯）在此压差作用下右移。由于挡板的下端是反馈弹簧杆11，反馈弹簧杆下端是球头，球头嵌放在主阀芯9的凹槽内，在阀芯移动的同时，球头通过反馈弹簧杆带动上部的挡板一起向右移动，使右喷嘴与挡板的间隙逐渐减小。当作用在衔铁-挡板组件上的电磁力矩与作用在挡板下端因球头移动而产生的反馈弹簧杆变形力矩（反馈力）达到平衡时，滑阀便不再移动，并使其阀口一直保持在这一开度上。该阀通过反馈弹簧杆的变形将主阀芯位移反馈到衔铁-挡板组件上与电磁力矩进行比较而构成反馈，故称力反馈式电液伺服阀。

通过线圈的控制电流越大，使衔铁偏转的转矩、挡板挠曲变形、滑阀两端的压差以及滑阀的位移量越大，伺服阀输出的流量也就越大。

5.电液伺服阀的应用

电液伺服阀目前广泛应用于要求高精度控制的自动控制设备中，用以实现位置控制、速度控制和力的控制等。

图2-87 力反馈型喷嘴挡板式电液伺服阀

1—永久磁铁 2、4—导磁体 3—衔铁 5—挡板 6—喷嘴 7—固定节流孔 8—过滤器 9—主阀芯 10—阀体 11—反馈弹簧杆 12—弹簧管 13—线圈