某型旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥結(jié)構(gòu)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(tǒng)綜合航空科技重點實驗室，江蘇南京211106)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服閥技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，歐美各國均推出了直接驅(qū)動電液伺服閥，在閥內(nèi)集成了DSP 控制器，使直接驅(qū)動電液伺服閥朝著數(shù)字化的方向發(fā)展。但因為該類閥價格昂貴，存在著尺寸大、質(zhì)量大、頻率響應也比較低等缺點，因此在軍事行業(yè)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(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥。目前該類閥在國際上的研究和使用已經(jīng)很成熟了，不僅形成系列化、通用化產(chǎn)品，可靠性極高，而且在航空、航天、航海等軍事行業(yè)和其他民用市場領(lǐng)域的應用也非常廣泛。

目前國內(nèi)也正在逐步開始研制該類產(chǎn)品，但該類閥在研制過程中存在諸多的技術(shù)不足，比如文中介紹的某型號旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥研制過程中出現(xiàn)的通油窗口加工困難、密封圈被吸入產(chǎn)品內(nèi)部、電機功率和力矩不夠等問題。為此在研制過程中經(jīng)過多次論證，根據(jù)該類型閥結(jié)構(gòu)組成及工作原理，先后改進了通油窗口結(jié)構(gòu)形式、密封結(jié)構(gòu)形式、閥芯工作邊結(jié)構(gòu)形式、工藝孔堵頭結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)力矩電機結(jié)構(gòu)等。

1 組成及工作原理

旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥主要由滑閥級(主要由殼體和閥芯組成)、有限轉(zhuǎn)角力矩電機和控制器組成。通過控制器發(fā)出旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動閥指令PWM 信號驅(qū)動有限轉(zhuǎn)角力矩電機旋轉(zhuǎn)運動，電機軸端的偏心機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為閥芯的直線運動，實現(xiàn)對流體方向和大小的控制，電機的角位移通過內(nèi)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(xiàn)閉環(huán)控制，極大地提高了伺服閥的滯環(huán)、分辨率以及動態(tài)等性能。原理圖如圖1 所示。

圖1 原理圖

有限轉(zhuǎn)角電機旋轉(zhuǎn)軸小球插在閥芯小槽內(nèi)，當偏心軸帶動小球作旋轉(zhuǎn)運動時，小球的旋轉(zhuǎn)運動就帶動閥芯在殼體內(nèi)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(xiàn)了對流量大小的控制，閥芯反向運動就實現(xiàn)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(jié)構(gòu)

2.1 滑閥級結(jié)構(gòu)

滑閥級是功率放大級，是實現(xiàn)液流方向和大小的元件，滑閥級結(jié)構(gòu)是影響旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥性能的重要部件。滑閥級結(jié)構(gòu)主要由殼體和閥芯組成，去掉了傳統(tǒng)的閥芯和閥套的配合形式，直接采用閥芯和殼體配合結(jié)構(gòu)，閥芯直接安裝在殼體的閥芯孔內(nèi)，結(jié)構(gòu)左右對稱，極大地減小了滑閥級體積和質(zhì)量。

改進前，殼體采用腰型通油孔結(jié)構(gòu)，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(chǎn)品合格率不高。另外腰型工作邊稍有偏差就會出現(xiàn)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(huán)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(nèi)部，危害產(chǎn)品性能。殼體工藝孔采用的是錐堵孔結(jié)構(gòu)，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(nèi)漏增大，影響伺服閥性能。

圖3 滑閥改進設計前結(jié)構(gòu)

假定液流是穩(wěn)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(shù);為滑閥弧形節(jié)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(nèi)環(huán)槽全周開口結(jié)構(gòu)，工作邊為環(huán)形工作邊，如圖4 所示。環(huán)形通油孔及環(huán)形工作邊采用數(shù)控車床加工方式，數(shù)控加工可以較好地保證每次或每批環(huán)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(zhuǎn)直接驅(qū)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(nèi)環(huán)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

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

式中:D 為環(huán)形工作邊直徑。

2.2 有限轉(zhuǎn)角力矩電機結(jié)構(gòu)

有限轉(zhuǎn)角力矩電機是旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥的重要組成部分，當控制器提供驅(qū)動信號時，有限轉(zhuǎn)角力矩電機在規(guī)定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)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(xiàn)閉環(huán)控制。

有限轉(zhuǎn)角力矩電機主要由定子組件1、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角力矩電機結(jié)構(gòu)圖。其特點是:偏心驅(qū)動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，液壓油可以進入電機內(nèi)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(nèi)置安裝方式，為控制器提供電機位置反饋信號。

圖5 有限轉(zhuǎn)角力矩電機結(jié)構(gòu)圖

改進前，有限轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角±θ 范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)時發(fā)熱嚴重，液壓油進入電機內(nèi)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(zhuǎn)角力矩電機輸出轉(zhuǎn)角±θ，降低電機瞬態(tài)電流值和提高輸出線性度;通過增加線圈繞組匝數(shù)，增加永久磁鐵磁通量，減小氣隙，提高有限轉(zhuǎn)角力矩電機輸出力矩;通過調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角成線性關(guān)系時，計算改進后電機輸出負載轉(zhuǎn)矩M1，即:

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

3 試驗驗證

在專業(yè)實驗室的伺服閥性能試驗臺上對旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)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(huán)境溫度:(20 ±5)℃;

(5)工作液溫度:(40 ±6)℃。

如圖6 所示為旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥結(jié)構(gòu)改進前額定流量曲線，可看出:額定流量值不滿足系統(tǒng)要求規(guī)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(jié)構(gòu)，滑閥開口弧度如公式(2)所示成一定的函數(shù)關(guān)系。

如圖7 所示為旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥結(jié)構(gòu)改進后額定流量曲線，可看出:額定流量值滿足系統(tǒng)要求規(guī)定值;在線圈電流為±1 mA 左右時，流量有一個死區(qū)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(qū)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(jié)束語

旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動伺服閥結(jié)構(gòu)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(xiàn)的諸多問題，是在研制電液伺服閥的基礎上進行結(jié)構(gòu)改進的，同時用試驗數(shù)據(jù)驗證改進設計后結(jié)構(gòu)的合理性，為后續(xù)研制該類型的伺服閥提供相參考。

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