某型旋轉直接驅動伺服閥結構改進設計

付華軍

(南京機電液壓工程研究中心航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京211106)

隨著電子技術的飛速發展，伺服閥技術的發展出現了質的飛躍，歐美各國均推出了直接驅動電液伺服閥，在閥內集成了DSP 控制器，使直接驅動電液伺服閥朝著數字化的方向發展。但因為該類閥價格昂貴，存在著尺寸大、質量大、頻率響應也比較低等缺點，因此在軍事行業的應用受到極大的限制。為了改進這一缺陷，歐美等國先后又推出了一系列旋轉直接驅動伺服閥。目前該類閥在國際上的研究和使用已經很成熟了，不僅形成系列化、通用化產品，可靠性極高，而且在航空、航天、航海等軍事行業和其他民用市場領域的應用也非常廣泛。

目前國內也正在逐步開始研制該類產品，但該類閥在研制過程中存在諸多的技術不足，比如文中介紹的某型號旋轉直接驅動伺服閥研制過程中出現的通油窗口加工困難、密封圈被吸入產品內部、電機功率和力矩不夠等問題。為此在研制過程中經過多次論證，根據該類型閥結構組成及工作原理，先后改進了通油窗口結構形式、密封結構形式、閥芯工作邊結構形式、工藝孔堵頭結構和旋轉力矩電機結構等。

1 組成及工作原理

旋轉直接驅動伺服閥主要由滑閥級(主要由殼體和閥芯組成)、有限轉角力矩電機和控制器組成。通過控制器發出旋轉直接驅動閥指令PWM 信號驅動有限轉角力矩電機旋轉運動，電機軸端的偏心機構將電機的旋轉運動轉化為閥芯的直線運動，實現對流體方向和大小的控制，電機的角位移通過內置的角位移傳感器反饋給控制器與指令信號進行比較，實現閉環控制，極大地提高了伺服閥的滯環、分辨率以及動態等性能。原理圖如圖1 所示。

圖1 原理圖

有限轉角電機旋轉軸小球插在閥芯小槽內，當偏心軸帶動小球作旋轉運動時，小球的旋轉運動就帶動閥芯在殼體內作直線運動，從而閥芯凸肩與殼體通油槽形成一定開口，通過控制開口的大小就實現了對流量大小的控制，閥芯反向運動就實現流體流動方向的改變。工作功能框圖如圖2 所示。

圖2 工作功能框圖

2 改進設計前后結構

2.1 滑閥級結構

滑閥級是功率放大級，是實現液流方向和大小的元件，滑閥級結構是影響旋轉直接驅動伺服閥性能的重要部件。滑閥級結構主要由殼體和閥芯組成，去掉了傳統的閥芯和閥套的配合形式，直接采用閥芯和殼體配合結構，閥芯直接安裝在殼體的閥芯孔內，結構左右對稱，極大地減小了滑閥級體積和質量。

改進前，殼體采用腰型通油孔結構，工作邊為腰型工作邊，如圖3 所示。腰型通油孔及腰型工作邊采用電火花加工方式，每次或每批加工的腰型尺寸不一致，導致伺服閥輸出流量不對稱，從而導致線性度、對稱度等指標較差，造成產品合格率不高。另外腰型工作邊稍有偏差就會出現閥芯配套余量過小，導致閥芯配套困難，并且腰型工作邊相對于環形工作邊而言流量增益偏小，額定流量難以達到。殼體底面采用腰型通油孔減小密封圈密封面積，導致密封圈容易被高壓油吸入殼體內部，危害產品性能。殼體工藝孔采用的是錐堵孔結構，錐堵孔加工難度大，一致性差，錐度、圓度和直線度難以保證。閥芯工作邊太薄，工作一定時間后，容易崩邊磨損，導致伺服閥內漏增大，影響伺服閥性能。

圖3 滑閥改進設計前結構

假定液流是穩定的不可壓縮的一元流、液流能源是恒壓源和滑閥的幾何形狀為理想的零重疊，應用伯努利方程計算滑閥級腰型工作邊流量特性方程:

式中:Q 為滑閥空載流量;CV為滑閥流量系數;為滑閥弧形節流邊開度;XV為閥芯位移;ρ 為工作液密度;pS為供油壓力;pR為回油壓力，理論上取pR=0;C 為腰型控制窗口寬度，B 為腰型控制窗口圓弧跨度，R 為腰型控制窗口圓弧半徑。

改進后，殼體采用內環槽全周開口結構，工作邊為環形工作邊，如圖4 所示。環形通油孔及環形工作邊采用數控車床加工方式，數控加工可以較好地保證每次或每批環形工作邊加工的尺寸要求，并且每次或每批加工尺寸基本一致，進而可以滿足伺服閥輸出流量的對稱性，因此可以提高旋轉直接驅動伺服閥的線性度和對稱度等指標，提高伺服閥的合格率。腰型工作邊改為內環槽工作邊，降低加工難度，提高流量增益。殼體底面采用圓形通油孔，增大密封圈密封面積，使密封圈不易被高壓油吸入殼體，保證伺服閥的密封性。殼體工藝孔采用的是銷塞組合式圓孔結構，圓孔相對錐堵孔加工方便，一致性較好，圓度和直線度容易保證。閥芯工作邊厚度增加，工作邊變寬，不容易崩邊磨損，加工方便容易。

圖4 滑閥改進設計后結構

應用公式(1)計算滑閥級內環槽全周開口工作邊流量特性，其中環形工作邊開度為:

式中:D 為環形工作邊直徑。

2.2 有限轉角力矩電機結構

有限轉角力矩電機是旋轉直接驅動伺服閥的重要組成部分，當控制器提供驅動信號時，有限轉角力矩電機在規定轉角范圍內轉動，帶動閥芯做往返直線運動，同時力矩電機輸出角位移信號給控制器實現閉環控制。

有限轉角力矩電機主要由定子組件1、轉子組件2、定子支架3 和角位移傳感器4 組成，圖5 所示有限轉角力矩電機結構圖。其特點是:偏心驅動結構與電機軸作成一體，以保證接口的緊湊和可靠;定子支架3 兼起密封作用，電機為濕式結構，液壓油可以進入電機內部以冷卻永久磁鐵;角位移傳感器4 為一種線性霍爾傳感器，采用內置安裝方式，為控制器提供電機位置反饋信號。

圖5 有限轉角力矩電機結構圖

改進前，有限轉角力矩電機因功率不夠，輸出力矩偏小，導致常溫條件在有限轉角±θ 范圍內運轉時發熱嚴重，液壓油進入電機內部散熱有限，嚴重影響電機使用壽命;機械零位與電氣零位的一致性難以保證，霍爾輸出增益左右的一致性難以保證。

改進后，通過減小有限轉角力矩電機輸出轉角±θ，降低電機瞬態電流值和提高輸出線性度;通過增加線圈繞組匝數，增加永久磁鐵磁通量，減小氣隙，提高有限轉角力矩電機輸出力矩;通過調整霍爾元件的位置，改變輸出零位及左右霍爾元件輸出增益一致性，提高有限轉角力矩電機霍爾元件輸出增益的對稱度性。在不考慮摩擦力的情況下，認為輸出電壓與傳感器轉角成線性關系時，計算改進后電機輸出負載轉矩M1，即:

式中:θ 為有限轉角力矩電機輸出轉角;J 為轉子和負載的轉動慣量;D 為黏性阻尼系數;K 為轉子復位剛度;M 為電磁轉矩;M1為負載轉矩。

3 試驗驗證

在專業實驗室的伺服閥性能試驗臺上對旋轉直接驅動伺服閥進行改進前和改進后的對比試驗，采用LabVIEW 軟件編制伺服閥測試程序進行測試。主要試驗條件如下:

(1)工作液:YH-15 航空液壓油;

(2)額定供油壓力:21 MPa;

(3)回油壓力:不大于0.6 MPa;

(4)環境溫度:(20 ±5)℃;

(5)工作液溫度:(40 ±6)℃。

如圖6 所示為旋轉直接驅動伺服閥結構改進前額定流量曲線，可看出:額定流量值不滿足系統要求規定值;當線圈電流為±1 mA 左右時，流量曲線有一個變流量增益的過程。這是因為滑閥級工作邊為腰型結構，滑閥開口弧度如公式(2)所示成一定的函數關系。

如圖7 所示為旋轉直接驅動伺服閥結構改進后額定流量曲線，可看出:額定流量值滿足系統要求規定值;在線圈電流為±1 mA 左右時，流量有一個死區過程。這是因為閥芯和殼體之間的重疊量過大，減小重疊量，便能消掉死區過程。

圖6 改進前額定流量曲線

圖7 改進后額定流量曲線

4 結束語

旋轉直接驅動伺服閥結構改進設計主要是為了解決該型號閥在設計和使用過程中出現的諸多問題，是在研制電液伺服閥的基礎上進行結構改進的，同時用試驗數據驗證改進設計后結構的合理性，為后續研制該類型的伺服閥提供相參考。

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