電液伺服閥專利技術(shù)綜述

蔣中立

專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州 215000

0 引言

上世紀(jì)四十年代，西方國家進(jìn)入了工業(yè)迅猛發(fā)展的時(shí)期，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣傳動(dòng)系統(tǒng)開始得到廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。人們通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：液壓傳動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)慣量遠(yuǎn)小于電氣傳動(dòng)的電機(jī)，因此對(duì)于大功率、大慣量的傳動(dòng)系統(tǒng)，采用液壓傳動(dòng)相較于傳統(tǒng)的電氣傳動(dòng)具有突出的優(yōu)勢(shì)。然而電氣傳動(dòng)本身也具有其特殊的優(yōu)勢(shì)，例如信號(hào)傳遞迅速、易于實(shí)現(xiàn)反饋以及遠(yuǎn)程控制方便等。若是能將上述兩類傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，構(gòu)造一個(gè)機(jī)、電、液一體化的伺服控制系統(tǒng)，對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化水平的提升將會(huì)帶來質(zhì)的影響。正是在這樣的工業(yè)化需求下，電液伺服閥，一種能夠直接將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成液壓信號(hào)并能實(shí)現(xiàn)功率放大的特殊元件應(yīng)運(yùn)而生。

1 電液伺服閥技術(shù)概述

1.1 電液伺服閥的基本概念

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的核心元件，它在系統(tǒng)中起著電液轉(zhuǎn)換和功率放大的作用。具體地說，系統(tǒng)工作時(shí)，電液伺服閥接收來自系統(tǒng)的電信號(hào)，并把上述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定比例的、能夠控制電液伺服閥的負(fù)載流量或壓力的信號(hào)，并通過功率放大機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)輸出較大的功率，以此來驅(qū)動(dòng)某些執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2 電液伺服閥的組成及分類

電液伺服閥一般由以下幾個(gè)部分組成：電－機(jī)轉(zhuǎn)換部分、機(jī)－液轉(zhuǎn)換和功率放大部分、反饋部分及電氣控制部分。除了電反饋伺服閥以外，電液伺服閥大多僅由前三部分組成。[1]

電液伺服閥一般按使用功能可分為電液流量伺服閥、電液壓力伺服閥以及電液壓力流量伺服閥；按結(jié)構(gòu)又可分為單級(jí)伺服閥、兩級(jí)伺服閥和三級(jí)伺服閥；按前置級(jí)的工作原理，電液伺服閥通常分為動(dòng)圈式和永磁式兩種，其中，永磁式電液伺服閥還可進(jìn)一步分為噴嘴擋板式電液伺服閥和射流管式電液伺服閥兩大類；并且，國外在上世紀(jì)九十年代初開發(fā)了直接驅(qū)動(dòng)式（簡稱直驅(qū)式）電液伺服閥，作為噴嘴擋板式電液伺服閥的補(bǔ)充和發(fā)展。

2 專利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

2.1 建立專利申請(qǐng)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫

1）數(shù)據(jù)源

中國專利文獻(xiàn)摘要數(shù)據(jù)庫（CNABS）、德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫（DWPI）以及世界專利文摘數(shù)據(jù)庫（SIPOABS）；檢索對(duì)象限定為公開/公告日于1950-2014 年之間的發(fā)明和實(shí)用新型專利申請(qǐng)（文中所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)截止至2014 年6 月13 日）。

2）關(guān)鍵詞

電液，伺服閥；electro w hydraulic，servo+，valve+

3）IPC[IPC8]分類號(hào)

F15B13/043，F(xiàn)15B13/02

2.2 中國專利性分析

2.2.1 中國申請(qǐng)量年度分布趨勢(shì)

圖1 中國申請(qǐng)量年度分布趨勢(shì)

如圖1 所示，國內(nèi)電液伺服閥相關(guān)的專利申請(qǐng)量總體呈逐年上升趨勢(shì)，且可劃分為以下三個(gè)階段：1）技術(shù)起步期（1986-2002），專利申請(qǐng)量較少且無明顯增長趨勢(shì)，說明此時(shí)國內(nèi)電液伺服閥技術(shù)剛剛興起，尚處于起步階段，市場(chǎng)需求不大；2）初步發(fā)展期（2002-2005），專利申請(qǐng)量較上一階段出現(xiàn)第一次明顯增長，標(biāo)志著電液伺服閥技術(shù)進(jìn)入發(fā)展階段；3）迅猛發(fā)展期（2005-2012），專利申請(qǐng)量在總體上呈現(xiàn)大幅上升趨勢(shì)，先后出現(xiàn)了3 個(gè)峰點(diǎn)（2008、2009、2012），說明國內(nèi)電液伺服閥技術(shù)得到了快速且有利的發(fā)展，這與市場(chǎng)需求是密不可分的。從數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性來說，2012 年后，由于專利從申請(qǐng)到公開/公告需要一定的審查周期，許多專利仍處于未公布狀態(tài)，因此上述數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確代表2013-2014 年實(shí)際的專利申請(qǐng)量。

2.2.2 國內(nèi)主要申請(qǐng)人

圖2 國內(nèi)主要申請(qǐng)人

如圖2 所示，在電液伺服閥領(lǐng)域，目前國內(nèi)主要申請(qǐng)人以大公司和高校/研究院所為主，個(gè)人申請(qǐng)相對(duì)較少。實(shí)際上，由于相較于以歐美為代表的西方國家，電液伺服閥技術(shù)在國內(nèi)起步屬于較晚，因而研發(fā)主力主要集中于大公司和高校/研究院所。其中，湖北航奧伺服科技有限公司、上海諾瑪液壓系統(tǒng)有限公司、中國船舶重工集團(tuán)公司第七零四研究所、吉林大學(xué)和南京航空航天大學(xué)分列申請(qǐng)量前五位。

2.3 申請(qǐng)分類比重統(tǒng)計(jì)

從申請(qǐng)的分類比重來看，動(dòng)圈式電液伺服閥技術(shù)的專利申請(qǐng)量僅占總數(shù)的9%，相對(duì)最少，這可能是由于其相較于永磁式電液伺服 閥技術(shù)，在性能方面存在某些不足，因而導(dǎo)致發(fā)展停滯。作為永磁式電液伺服閥技術(shù)中的重要分支，噴嘴擋板式電液伺服閥技術(shù)的專利申請(qǐng)量較大（占總數(shù)的66%），占據(jù)了歷年專利申請(qǐng)的主導(dǎo)地位，其整體走勢(shì)直接影響到總申請(qǐng)量走勢(shì)，因此，噴嘴擋板式電液伺服閥技術(shù)以及基于其發(fā)展的直動(dòng)式電液伺服閥技術(shù)是電液伺服閥領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。作為永磁式電液伺服閥技術(shù)中的另一分支，射流管式電液伺服閥技術(shù)的專利申請(qǐng)量（占總數(shù)的25%）介于動(dòng)圈式電液伺服閥技術(shù)和噴嘴擋板式電液伺服閥技術(shù)之間。

3 電液伺服閥專利技術(shù)發(fā)展路線

二戰(zhàn)前夕，隨著工業(yè)發(fā)展的需要，液壓控制技術(shù)得到了第一次快速發(fā)展，許多早期的控制閥產(chǎn)品及專利均是這一時(shí)代的產(chǎn)物，例如Askania 調(diào)節(jié)器公司發(fā)明并申請(qǐng)了射流管閥產(chǎn)品的專利，F(xiàn)oxboro 則發(fā)明并申請(qǐng)了噴嘴擋板閥產(chǎn)品的專利。二戰(zhàn)末期，隨著控制理論的成熟以及軍事應(yīng)用的刺激，伺服閥的研制和發(fā)展取得了重大的成就。1946 年，Raytheon 和Bell 航空公司發(fā)明了帶反饋的兩級(jí)閥；1950 年，W.C.Moog 發(fā)明了單噴嘴兩級(jí)電液伺服閥；1953-1955 年，T.H.Carson 發(fā)明了機(jī)械反饋式兩級(jí)電液伺服閥；W.C.Moog 在單噴嘴兩級(jí)電液伺服閥的基礎(chǔ)上又研發(fā)了雙噴嘴兩級(jí)電液伺服閥；1957 年，Atchley 利用Askania 公司的射流管原理研制出了兩級(jí)射流管電液伺服閥，并于1959 年成功研制出三級(jí)電反饋伺服閥；1963 年，Moog 公司推出了首款專為工業(yè)場(chǎng)合使用的73 系列伺服閥產(chǎn)品；1974 年，Moog 公司推出了低成本、大流量的三級(jí)電反饋伺服閥。當(dāng)時(shí)的電液伺服閥主要用于軍事領(lǐng)域，隨著太空時(shí)代的到來，電液伺服閥又被廣泛用于航天領(lǐng)域，并研制出高可靠性的多余度伺服閥等尖端產(chǎn)品。

以下選取電液伺服閥技術(shù)的重要分支——噴嘴擋板式（包含其基礎(chǔ)上發(fā)展的直動(dòng)式）電液伺服閥，按時(shí)間順序詳細(xì)闡述其技術(shù)發(fā)展：

1951 年，F(xiàn)oxboro 公司發(fā)明并申請(qǐng)了最早的噴嘴擋板閥專利（專利文獻(xiàn)公開號(hào)US2612185A，下同）；1954 年，Moog公司對(duì)傳統(tǒng)的噴嘴擋板閥進(jìn)行改進(jìn)，提出了雙噴嘴兩級(jí)電液伺服閥的結(jié)構(gòu)（US2931343A）；1956 年，Moog 公司在雙噴嘴兩級(jí)電液伺服閥中首次引入滑閥機(jī)構(gòu)，以增強(qiáng)高頻響應(yīng)特性（GB845109A）；1963 年，電液伺服閥開始被研制應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合（GB957725A）；1971 年，Moog 公司對(duì)工業(yè)用兩級(jí)電液伺服閥進(jìn)行改進(jìn)，使第二級(jí)對(duì)第一級(jí)反饋形成閉環(huán)控制（US3752189A）；1975 年，Dopt 公司創(chuàng)造性的將電液伺服閥的前置級(jí)從閥體中獨(dú)立出來，以提高高壓條件下的使用可靠性（GB1389514A）；1980 年，Moog 公司在雙噴嘴兩級(jí)電液伺服閥的基礎(chǔ)上，研發(fā)了閉環(huán)控制的直動(dòng)式兩級(jí)電液伺服閥，其具有優(yōu)秀的抗污染能力以及響應(yīng)特性（US4338965A）；1985年，Dowty Hydraulic 公司開發(fā)出永磁式力矩馬達(dá)作為電液伺服閥的電-機(jī)轉(zhuǎn)換部件，驅(qū)動(dòng)力以及穩(wěn)定性均得到大大增強(qiáng)（GB2124799A）；2002 年，Jansen 公司提出采用額外的線圈控制電液伺服閥閥芯的運(yùn)動(dòng)，以提高響應(yīng)特性，降低閥芯泄漏的風(fēng)險(xiǎn)（US6786236A）；2007 年，北京工業(yè)大學(xué)引入超磁致伸縮材料，利用驅(qū)動(dòng)器的自傳感功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)閥芯的精確定位（CN101196200A）。

4 結(jié)論

電液伺服閥是一種接收電信號(hào)后，輸出相應(yīng)的調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥，其同時(shí)具有功率放大機(jī)構(gòu)，能夠?qū)⑽⑷醯碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成大功率的液壓信號(hào)（流量和壓力），具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。一直以來，伴隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升和電液伺服系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的日益拓寬，人們對(duì)于電液伺服閥的性能也不斷提出更高的技術(shù)要求。因此，可以毫不夸張的說，電液伺服閥的發(fā)展歷史，本身也是一部力圖獲得更快速度、更高精度以及更優(yōu)穩(wěn)定性的技術(shù)創(chuàng)新史。

[1]田源道.電液伺服閥技術(shù).航空工業(yè)出版社，2008.

[2]方群，黃增.電液伺服閥的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).機(jī)床與液壓，2007.

[3]康雙琦，江林秋.電液伺服閥的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀分析.資治文摘，2009.

[4]朱玉川，李躍松.超磁致伸縮執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)的新型射流伺服閥.壓電與聲光，2010.