電液伺服控制技術(shù)的歷史與發(fā)展趨勢(shì)
1.發(fā)展歷史
電液伺服控制的發(fā)展歷程主要分早期、二戰(zhàn)期間、二戰(zhàn)后三個(gè)階段。
(1)早期。公元前247~285年,生活在亞歷山大城的古埃及人Ktesbios就發(fā)明了很多液壓伺服機(jī)構(gòu)。其中最為杰出的就是水鐘,他設(shè)計(jì)的水鐘可以顯示長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的準(zhǔn)確時(shí)間。其原理是通過節(jié)流孔將浮標(biāo)顯示的液面高度與容器形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。從某種意義上說,這種浮標(biāo)已經(jīng)具備現(xiàn)代液壓伺服閥的雛形。1750年左右,用于控制給水系統(tǒng)和蒸汽鍋爐水位的液位控制閥在英國(guó)出現(xiàn)。隨著工業(yè)革命的發(fā)展,控制策略的不斷改進(jìn),進(jìn)而影響到液壓技術(shù)的發(fā)展。
1795年,約瑟夫-布拉曼應(yīng)用帕斯卡原理制作了水壓機(jī),1796年,莫茲利為了使水壓機(jī)更好地工作,設(shè)計(jì)了水壓機(jī)泵的密封裝置——皮碗密封。而它是現(xiàn)代密封技術(shù)的雛形。到了18世紀(jì)末期,蓄能器在英國(guó)出現(xiàn)。19世紀(jì)早期,開始采用油液代替水成為液壓系統(tǒng)的介質(zhì),同時(shí)方向控制閥采用電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
(2)二戰(zhàn)期間。在二戰(zhàn)前夕,由于空氣動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用要求一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械信號(hào)與氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置。阿斯卡尼亞控制器公司及Askania-Werke根據(jù)射流原理發(fā)明了射流管閥并申請(qǐng)了專利。根據(jù)同樣的原理,??怂共_申請(qǐng)了雙噴嘴擋板閥的專利。德國(guó)西門子公司發(fā)明了永磁式力矩馬達(dá),它可以接受通過彈簧輸入的機(jī)械信號(hào)和移動(dòng)線圈產(chǎn)生的電信號(hào),并開創(chuàng)性地使用在航空領(lǐng)域。在二戰(zhàn)末期,伺服閥是采用滑閥閥心在閥套中移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。閥心的運(yùn)動(dòng)是直流螺線管產(chǎn)生的電磁力與彈簧產(chǎn)生的壓力共同作用的結(jié)果,因此,此時(shí)的伺服閥還僅僅是一種單級(jí)開環(huán)控制閥。
(3)二戰(zhàn)后。二次世界大戰(zhàn)之后,由于軍事的刺激,自動(dòng)控制理論特別是武器和飛行器控制系統(tǒng)的研究得到進(jìn)一步發(fā)展,這從另一個(gè)方面大大刺激了液壓伺服閥的研制與創(chuàng)新。1946年,英國(guó)的廷斯利發(fā)明了兩級(jí)液壓閥,雷神和貝爾飛機(jī)公司獲得了帶反饋兩級(jí)伺服閥的專利,麻省理工學(xué)院采用線性度更好、更節(jié)能的力矩馬達(dá)代替螺線管作為滑閥的驅(qū)動(dòng)裝置。
1950年,穆格發(fā)明了采用噴嘴節(jié)流孔作前置級(jí)的兩級(jí)伺服閥。在此基礎(chǔ)上,1953~1955年,卡森發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級(jí)伺服閥,穆格改進(jìn)了雙噴嘴節(jié)流孔結(jié)構(gòu),沃爾平則將濕式電磁鐵改為干式的,消除了原來(lái)浸在油液內(nèi)的力矩馬達(dá)由油液污染帶來(lái)的可靠性問題。1957年,阿奇利發(fā)明了射流管閥作為前置級(jí)的兩級(jí)電液伺服閥,并于1959年成功研制出了z級(jí)電信號(hào)反饋伺服閥。
此時(shí)的電液伺服閥開發(fā)研制進(jìn)入了迅速發(fā)展時(shí)期,很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了電液伺服閥的性能。特別是1960年的電液伺服閥設(shè)計(jì)更多地顯示出了現(xiàn)代伺服閥的特點(diǎn)。如:兩級(jí)間形成了閉環(huán)反饋控制,力矩馬達(dá)更輕,移動(dòng)距離更小,前置級(jí)對(duì)功率級(jí)的壓差通??蛇_(dá)到50%以上,前置級(jí)無(wú)摩擦并且與工作油液相互獨(dú)立,前置級(jí)的機(jī)械對(duì)稱結(jié)構(gòu)減小了溫度、壓力變化對(duì)零位的影響。
在20多年的時(shí)間里,電液伺服閥完成了從早期的單級(jí)開環(huán)控制閥到兩級(jí)閉環(huán)控制伺服閥的轉(zhuǎn)變??梢钥闯?。那時(shí),電液伺服閥的發(fā)展更多的是由于軍事應(yīng)用的需要,因此,它的開發(fā)是不計(jì)成本的,這也造成了當(dāng)時(shí)的電液伺服閥性能優(yōu)越但價(jià)格昂貴。
隨后,一些公司開始開發(fā)電液伺服閥的工業(yè)應(yīng)用。穆格公司于1963年研制出73系列電液伺服閥,可以滿足工業(yè)用油的清潔度要求。此后,為了滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求,以1960年的伺服閥為基礎(chǔ)的伺服閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研制仍在繼續(xù)。如閥的體積變大(與航空用閥相比),材料也不再是鍛鋼;先導(dǎo)級(jí)獨(dú)立出來(lái),以方便維修和調(diào)試;閥的許用壓力范圍降低至10MPa到20MPa,而不再是原來(lái)的30MPa;開始標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn),以降低成本和滿足通用的要求。
2.發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)前電液伺服閥的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、材料的使用及測(cè)試方法的改變上。
(1)結(jié)構(gòu)方面。在結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面,針對(duì)伺服閥常見故障進(jìn)行分析,提出改進(jìn)方案,采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)手段,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,以滿足閥的性能要求,如直驅(qū)式伺服閥的產(chǎn)生、壓電陶瓷式伺服閥的出現(xiàn)。此外,還有利用三裕度技術(shù)對(duì)伺服閥的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造,將伺服閥的力矩馬達(dá)、反饋元件、滑閥副做成多套。若某個(gè)關(guān)鍵元件發(fā)生故障,可隨時(shí)切換另外備用套,從而保證閥的正常工作,提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。
(2)材料方面。在材料替換方面,可以針對(duì)電液伺服閥的性能要求,對(duì)特定的零件采用了強(qiáng)度、彈性、硬度等機(jī)械性能更優(yōu)越的材料。對(duì)密封圈的材料進(jìn)行更替,可以使伺服閥耐高壓、耐腐蝕的性能得到提高。用紅寶石材料制作噴嘴擋板,可以防止因氣饋造成擋板和噴嘴的損傷,而降低動(dòng)靜態(tài)性能,使工作壽命縮短。此外,永磁式力矩馬達(dá)中電磁鐵的材料采用超磁致伸縮材料,可以提高電液伺服閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
(3)測(cè)試方面。在對(duì)電液伺服閥的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試時(shí),測(cè)量?jī)x器本身的影響、外界電磁信號(hào)的干擾等都會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響,嚴(yán)重時(shí)不能正確反映伺服閥的性能。
此外,盡可能地提高測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度,可以更準(zhǔn)確地反映伺服閥產(chǎn)品本身的特性,有助于保證整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及經(jīng)濟(jì)性。因此,很多個(gè)人及單位對(duì)測(cè)試儀器、測(cè)試技術(shù)等做了深入的研究。