1.2 电液伺服阀的组成和分类

1.2.1 电液伺服阀的组成

电液伺服阀通常由电-机转换器、液压放大器及反馈机构（或平衡机构）三部分构成^[2]。

电-机转换器的作用是把输入的电信号转换为力和力矩，驱动液压放大器运动。电液伺服阀常用电-机转换器为力矩马达和力马达，其中力马达为直线运动，输出为力和位移；力矩马达为旋转运动，输出为力矩和角位移。依据运动部件的不同，力矩马达和力马达又可以分为动圈式和动铁式。与动圈式相比，动铁组件固有频率和功率密度都较高，具有频率高、体积小、重量轻的优点，因此电液伺服阀电-机转换器主要采用永磁动铁式结构。其中，永磁动铁式力马达驱动力大、行程较大，可以直接驱动功率级滑阀。永磁动铁式力矩马达结构紧凑、体积小、固有频率高，但是输出转角线性范围窄，功率小，主要用于驱动双喷嘴挡板阀，以及偏导射流阀、射流管阀等前置级液压放大器。

液压放大器也称液压控制阀，其作用是将机械运动转换成大功率液压能输出。伺服阀用液压放大器主要有滑阀、单喷嘴挡板阀、双喷嘴挡板阀、射流管阀和偏导射流阀等几种类型。其中双喷嘴挡板阀、射流管阀和偏导射流阀主要作为两级或三级电液伺服阀的第一级使用，滑阀主要作为功率级使用，单喷嘴挡板阀因特性较差，很少使用。

双喷嘴挡板阀是通过节流原理来工作的，如图1-2所示。其喷嘴与挡板间的通流面积构成可变节流口，通过控制喷嘴与挡板之间的相对位移改变可变节流口的液阻，从而实现负载两端压力的控制。其具有结构简单、运动部件质量小、动态响应快、无摩擦、所需驱动力小、压力增益（也称压力灵敏度）高、线性度好、温度和压力零漂小等优点。其主要缺点是零位泄漏流量大、负载刚性差、输出流量小，喷嘴与挡板间的间隙小，易堵塞，抗污染能力差，对油液过滤精度要求较高^[4]。

射流管阀是基于动能与压力能转换原理工作的，首先油液的压力能在射流喷嘴处转化为喷射动能，然后在接受器上的接受孔内重新恢复成压力能，此压力能的大小与接受孔接收到的动能成正比。通过控制射流喷嘴与两接受孔的重叠面积，使两个接受孔接收到的能量发生变化，便能实现对负载两端压力的控制，如图1-3所示。其缺点是射流管的惯量大、刚度差，受回油冲击易发生振动，整个射流阀内部流动情况复杂，特性不易通过理论精确预测，且供油压力较大时，射流管轴向有较大的轴向力^[3]。

射流管阀的最小尺寸为喷嘴直径，通常接近200μm，而双喷嘴挡板阀的最小尺寸是喷嘴与挡板间的间隙，通常小于60μm，而电液伺服阀的抗污染能力一般是由其最小尺寸决定的，因此射流管阀对油液的清洁度要求不高，抗污染能力强，具有可靠性高、使用寿命长的优点。波音公司对9000台射流管电液伺服阀的使用情况进行了7年的追踪调查，结果显示仅有84个阀出现故障，其中83个是因密封圈老化漏油所致。另外，由于射流管阀的压力效率及容积效率一般在70%以上，有时可达到90%以上，而双喷嘴挡板阀的效率只有50%，故射流管阀输出控制力大，对功率主阀的控制能力较强，因此其可以驱动直径较大的阀芯，使得功率主阀的抗污染能力也得到提高^[7-13]。

当射流管阀的射流喷嘴被杂物完全堵死时，两个接受孔均无能量输入，接受孔内压力相等，在反馈杆的作用下，其控制的第二级滑阀的阀芯将在零位上，因此射流管阀具有“失效对中”能力，并不会发生“满舵”现象。而双喷嘴挡板阀在工作时，如有一侧发生杂物堵塞喷嘴现象，便会造成一侧压力上升，使第二级滑阀阀芯向一边移动，阀芯的偏移会形成单方向的流量输出，使执行机构向一边偏移直到最大位置，产生“满舵”现象^[7，8]。

长久工作后，双喷嘴挡板阀冲蚀磨损点在挡板上，如图1-4所示，若冲蚀量等于喷嘴挡板间隙，压力增益将降低50%，泄漏流量和功率损失都将增加一倍。如图1-5所示，射流管阀的冲蚀磨损点在两接受孔的中心位置的斜劈上，产生磨损后左右接受孔仍然是对称的，压力增益和流量增益均没有明显影响，泄漏量保持不变。

综上所述，相比双喷嘴挡板电液伺服阀，射流管电液伺服阀可靠性较高。目前，波音和空客等公司的民用客机和世界上主要军用飞机电液伺服系统中的双喷嘴挡板电液伺服阀已逐渐被射流管电液伺服阀所取代，见表1-1^[1]。

偏导射流阀的结构简图如图1-6所示，其由射流盘和偏导板组成。其同样是基于动能和压力能转换原理工作的，但其动能的分配是通过射流盘中间偏导板的运动来实现的。因此其也具有抗污染、抗冲蚀磨损以及“失效对中”的优点。由于偏导板惯量小于射流管运动的部件惯量且配流喷嘴孔和射流盘上的接受孔均为矩形，因此与射流管阀相比，其响应速度更快、线性度更好。其缺点是性能在理论上不易精确计算，低温和高温时性能不稳定，结构较为复杂^[14-15]。

滑阀的结构简图如图1-7所示，其是基于节流原理工作的。通过改变液流回路中节流孔（液阻）的大小进行流体的控制。当阀芯处于中位时，四个节流口都正好处于封闭的状态，无控制压力输出；若阀芯向左发生微小位移，则节流窗口便有开口量，控制压力输出。滑阀的优点是流量增益和压力增益高、输出流量大，节流边为矩形或圆周开口时输出特性线性度好，对油液清洁度要求较低；缺点是体积大、结构工艺复杂，阀芯与阀套的配合精度要求高，运动件惯量大，液动力大，径向力不平衡，运动所需驱动力大^[16-20]。

反馈机构的作用是用来将电液伺服阀构成一个闭环控制系统，使阀的输出流量或输出压力与输入电气控制信号成比例。两级力反馈电液伺服阀通常采用反馈杆将功率滑阀的阀芯位移以力的形式反馈到力矩马达衔铁组件上。电反馈电液伺服阀通常采用位移传感器将输出级（功率级）的阀芯位移或输出压力以电信号形式反馈到力矩马达输入端。

1.2.2 电液伺服阀的分类

电液伺服阀主要依据液压放大器级数、使用功能、反馈形式和第一级结构形式进行分类。

按液压放大器的级数可分为单级、两级和三级电液伺服阀。其中单级电液伺服阀的功率级液压放大器由电-机转换器直接驱动，此类阀结构简单、价格低廉，但其输出压力和流量受制于电-机转换器的功率，相同规格下，体积较大；两级电液伺服阀由两级液压放大器构成，其克服了单级电液伺服阀的缺点，流量可达200L/min，能满足大部分电液控制系统的要求；三级电液伺服阀通常由一个两级伺服阀作前置级控制第三级功率滑阀，功率级滑阀的阀芯位移通过电气反馈形成闭环控制，实现功率级滑阀阀芯的定位，其通常只用在大流量（200L/min以上）的场合。

按使用功能可分为电液流量伺服阀、电液压力伺服阀、电液压力流量伺服阀（PQ阀），其中电液流量伺服阀使用最广，生产量最大，可以应用在位置、速度、加速度（力）等各种控制系统中，为本书主要介绍的对象。

按反馈形式可分为滑阀位置反馈电液伺服阀、负载流量反馈电液伺服阀、压力反馈电液伺服阀。具有滑阀位置反馈或负载流量反馈是电液流量伺服阀，阀的输出流量与输入信号成比例。具有负载压力反馈是电液压力伺服阀，阀的输出压力与输入电流成比例。由于负载流量与负载压力反馈电液伺服阀的结构比较复杂，使用得比较少，而滑阀位置反馈电液伺服阀用得最多。滑阀位置反馈又可以分为弹簧对中式反馈、力反馈、电反馈和直接位置反馈，其中电反馈电液伺服阀一般具有优异的静动态性能^[9]。

按第一级的结构形式可分为滑阀电液伺服阀、单喷嘴挡板电液伺服阀、双喷嘴挡板电液伺服阀、射流管电液伺服阀和偏导射流电液伺服阀^[10]。

目前，电液伺服阀常用类型主要为双喷嘴挡板力反馈两级电液伺服阀、双喷嘴挡板电反馈两级电液伺服阀、射流管力反馈两级电液伺服阀、射流管电反馈两级电液伺服阀、偏导射流力反馈两级电液伺服阀和直动式电液伺服阀等。其中同种流量规格下，常见力反馈两级电液伺服阀的主要性能比较见表1-2。电反馈与力反馈电液伺服阀的主要性能比较见表1-3。由表1-2比较结果可知，射流式（包含射流管和偏导射流）电液伺服阀抗污染能力强，具有失效对中能力，可靠性高，但特性不易预测，设计复杂度高；电反馈伺服阀静态性能比力反馈伺服阀好，但尺寸大于力反馈伺服阀。直动式电液伺服阀无前置级，结构上最为简单，无前置级泄漏，静态性能优异且具有失效对中能力，但是体积大、质量大、动态性能稍差^[19]。