2.1　电液伺服阀的组成

通常讲的电液伺服阀一般是由电气-机械转换器（力马达或力矩马达）、液压放大器（液压前置级放大器和液压主控阀）和反馈或平衡机构等三部分组成。但对电液伺服阀这种连续控制阀而言，液压伺服阀放大器这种电气器件一般是必不可少的，所以，一般电液伺服阀是由电液伺服阀放大器、电气-机械转换器、液压放大器和反馈或平衡机构等四部分组成的这种说法比较准确。如“为了使（电液伺服）阀的结构布置、控制和使用更为灵活、方便、可靠，目前越来越多的电液伺服阀采用电反馈，并将（电液）伺服（阀）放大器也做成内置式，成为电液伺服阀的一个组成部分”，即有可取之处。

图2-1所示为电液伺服阀组成及工作原理方块图，该方块图较为明了地说明了组成电液伺服阀的四个组成部分之间的相互关系及信号（电信号、液压信号）的传递及控制。

2.1.1　电液伺服阀放大器

电液伺服系统的控制输入信号一般都是较弱的，通常都需要经过处理和功率放大后，才能驱动电气-机械转换器如力马达、力矩马达或比例电磁铁运行，实现参数调节。电液伺服阀放大器是借助外来能源以增大输入（电）信号的振幅和功率的电气器件。电液伺服阀放大器和电气-机械转换器都是电液伺服阀必不可少的重要组成部分，而且两者关系密切、相互依存。

电液伺服阀放大器的主要功能是驱动、控制电气-机械转换器，满足电液伺服控制系统的性能要求。在闭环控制场合其还承担着反馈检测信号、测量放大和系统性能的控制校正作用。

电液伺服阀放大器是电液伺服控制系统中的前置环节，其性能优劣直接影响着系统的控制性能和可靠性。

在进行电液伺服阀性能试验时，在试验系统中应包括由阀制造商指定的放大器（当放大器被指定时）。如果使用外部脉宽调制放大器，应记录调制频率、颤振频率和颤振幅值。在所有情况下，应记录放大器电源电压。输入信号是加在放大器上而不是直接加于阀上。

2.1.2　电气-机械转换器

电气-机械转换器是电液控制系统中的重要元件，它将电气装置输入的电信号转换成机械量，即力（力矩）和（角）位移的装置。电气-机械转换器作为液压控制元件的前置级，对其稳态控制精度和动态响应特性以及抗干扰能力和工作可靠性要求都很高。

电液控制系统中最常用的电气-机械转换器有动圈式力马达或力矩马达、动铁式力矩马达、比例电磁铁、步进电动机、直流或交流伺服电动机，其中除步进电动机是典型的数模转换型电气-机械转换元件外，其他通常都作为模拟转换元件应用。但是，原则上这些元件也可借助频率调整或脉冲调制，用作数字式或数模转换式电气-机械转换器。

电液伺服阀作为电液转换和功率放大元件，其电气-机械转换器有电流-力（矩）转换和力（矩）-（角）位移转换两种功能。典型的电气-机械转换器为力马达和力矩马达。力马达是一种直线运动的电气-机械转换器，而力矩马达则是一种旋转运动的电气-机械转换器。力马达或力矩马达的功能都是将输入的控制（电流）信号转换成为与输入（电流）信号成比例的输出力或力矩，再经弹性元件（如弹簧管、弹簧片等）转换成为驱动先导级阀运动的直线位移或转角（或称摆角、偏转角），使先导级阀定位、回零。

磁场的励磁方式有永磁式和电磁式两种。因尺寸较为紧凑，工程上多采用永磁式结构。

永磁动圈式或动铁式两种结构的电气-机械转换器常用于电液伺服阀的电气-机械转换器，包括可作为单极电液伺服阀的前置级。

（1）永磁动圈式力马达

图2-2所示为永磁动圈式力马达的结构简图。永磁动圈式力马达输入为电（流）信号，输出为力及直线往复位移。

永磁动圈式力马达由永久磁铁、内导磁体、外导磁体、绕制在线圈架上的可动控制线圈和（平衡）弹簧等组成。

由永久磁铁、内导磁铁和外导磁体构成闭合磁路，在环形工作气隙中形成固定磁通，由平衡弹簧将可移动的控制线圈悬置于工作气隙中。当控制线圈输入控制电流时，绕制在线圈架上的控制线圈及所带动的阀芯（图中未示出）按照载流导体在磁场中受力的原理移动，该力的大小与磁场强度、线圈导线长度及控制电流大小成比例，其方向由控制电流方向及固定磁通方向按电磁学左手定则确定。受该力作用的线圈组件克服弹簧力和负载力，使线圈组件产生了一个与输入控制线圈电流大小成比例的位移。通过改变输入控制线圈电流的大小和方向，即可使线圈组件输出力及直线往复位移。

（2）永磁动圈式力矩马达

图2-3所示为永磁动圈式力矩马达的结构简图。永磁动圈式力矩马达输入为电（流）信号，输出为力矩及角位移。

永磁动圈式力矩马达由永久磁铁、内导磁体、外导磁体、绕制在线圈架上的控制线圈（转子）和扭力弹簧（或轴承加盘圈扭力弹簧）等组成。

（3）永磁动铁式力矩马达

图2-4所示为永磁动铁式力矩马达的结构简图。永磁动铁式力矩马达输入为电（流）信号，输出为力矩及转角。

永磁动铁式力矩马达由左、右两块永久磁铁（或称磁钢），上、下两块导磁体（或称轭铁），与铁芯（或称衔铁）固定连接在一起的弹簧管（或称扭轴），以及绕制在线圈架上的两个控制线圈等组成。此永磁动铁式力矩马达的结构是全对称的。

铁芯与弹簧管等固定连接（或称衔铁组件），可以绕弹簧管上一点在四个气隙间来回摆动。左、右两块永久磁铁使上、下两块导磁体在气隙中产生相同方向的极化磁场。在控制线圈没有输入电（流）信号时，铁芯与上、下两块导磁体之间的四个气隙距离相等，铁芯因受到的永久磁铁的吸引力平衡而使铁芯也处于中间平衡状态。当控制线圈输入（控制）电流时，即产生了控制磁场，其在铁芯中的磁通量发生变化（铁芯变成了电磁铁），使得铁芯在（新）磁场中的受力状态发生了改变，打破了原来的平衡，铁芯产生了与控制电流大小和方向相对应的转矩，进而使铁芯及弹簧管等转动产生转角，直至电磁力矩与负载力矩和弹簧管（扭轴）反力矩等相等（平衡）为止。

在转角很小的情况下，可以将角位移近似地看成是线位移；所产生的电磁力矩大小与输入电（流）信号的大小成比例，其转角方向由输入电（流）信号的方向决定。

（4）永磁动圈式力马达与永磁动铁式力矩马达的性能比较

永磁动圈式力马达与永磁动铁式力矩马达各有特点，现就其性能试比较如下。

①在相同惯性条件下，永磁动铁式力矩马达的输出力矩较大，而永磁动圈式力马达的输出力较小。因永磁动铁式力矩马达的输出力矩可以较大，其弹簧管的刚度也就可以制成较大，因此可以使衔铁组件的固有频率较高，甚至可达1000Hz以上，而永磁动圈式力马达的弹簧刚度较小，因此其固有频率也较低。

②永磁动圈式力马达的控制电流较大，输出位移（或称行程）也较大，可达±（2～4）mm。而永磁动铁式力矩马达受气隙的限制，输出转角较小，近似线位移（或称行程）通常小于0.2mm；且因其控制电流较小，故其抗干扰能力较差。

③永磁动圈式力马达的稳态特性、线性度较好，滞环也较小。而永磁动铁式力矩马达因磁滞影响而引起的输出位移非线性较严重，滞环也比永磁动圈式力马达大。

④在相同功率条件下，永磁动圈式力马达较永磁动铁式力矩马达的体积大，材料及制造精度要求也没有那么高，因此永磁动圈式力马达的造价较低。

综上所述，因永磁动铁式力矩马达具有固有频率高、动态响应快、功率-质量比较大、加速度零漂小等优点，在要求频率高、动态响应快、体积小、重量轻的场合，适合采用其控制喷嘴挡板一类的先导级阀。而在对频率、动态响应和尺寸要求不高，又希望造价较低的场合，如一般工业用途的电液伺服阀，往往采用永磁动圈式力马达。但现在也有用于控制高频电液伺服阀的特殊结构的永磁动圈式力马达。

2.1.3　液压前置级放大器

根据控制对象的不同要求，电液伺服阀可设计成不同型式。推荐采用两级电液伺服阀，其前置级采用一些无摩擦可变节流孔式放大器，如双喷嘴挡板式、射流管式或射流偏转板式等。其输出级液压放大器通常采用四通滑阀结构。由输出级至力矩马达采用一些反馈结构以提高阀的性能，如力反馈、电反馈等。

以常见的喷嘴挡板（式）两（二、双）级电液伺服阀为例，其液压前置级放大器是由永磁动铁式力矩马达和喷嘴挡板组成的喷嘴挡板阀，即为（第）一级液压放大器，且为液压主控制阀（四通滑阀）——输出级液压放大器的先导级阀。

但对三级电液伺服阀而言，则可将上述两级电液伺服阀作为先导级阀，即为输出级液压放大器的液压前置级放大器。对四级电液伺服阀而言，则也可照此类推。

由永磁动铁式力矩马达和喷嘴挡板组成的喷嘴挡板阀是本书研究的重点对象之一，其现在仍是最高端电液伺服阀的一个重要组成部分。

（1）双喷嘴挡板阀

喷嘴挡板阀是一类液压控制阀，有单喷嘴挡板阀和双喷嘴挡板阀之分。单喷嘴挡板阀相当于一个三通阀，可以控制差动液压缸；双喷嘴挡板阀相当于一个四通阀，可以控制双作用液压缸。

图2-5所示为一种常用的双喷嘴挡板阀结构原理简图和等效桥路图。双喷嘴挡板阀是由两个结构尺寸完全相同的单喷嘴共用一个挡板组合而成的。

双喷嘴挡板阀由挡板6、喷嘴1和2、固定节流孔3和4（或还包括一个回油节流孔5）等组成。在挡板6的两边对称设置了两个喷嘴1和2，由此组成了两个可变节流孔，或表述为造成了两个可变的缝隙。当挡板6处于两喷嘴的中间位置时，挡板与两个喷嘴的间隙相等，此时如压力为ps的液压油分别通过两个固定节流孔3和4，再通过两个喷嘴与挡板的间隙流回油箱，则两液流的阻尼（液阻）相等，因而两控制腔压力也相等，即pA=pB。如双喷嘴挡板阀的两控制腔连接双杆缸的两腔，则双杆缸因两腔压力相等而处于停止不动状态，此时双杆缸两腔都没有液压油流入流出，亦即负载控制流量qL=0。如挡板6向右偏转一个角度，则挡板6与喷嘴2的间隙减小，其液阻增大；相应挡板6与喷嘴1的间隙增大，其液阻减小，因此造成了pB＞pA，双杆缸活塞（或也可是滑阀阀芯）在此压力差的作用下将向左运动。如挡板6向左偏转一个角度，压力变化情况将相反，双杆缸活塞将向右运动。

双喷嘴挡板阀是依据节流控制原理设计的，其优点是结构简单、体积小、运动部件质量小、运动（转动）惯量小、位移量小、驱动力小、无摩擦、动态响应快、灵敏度高、压力增益大。但双喷嘴挡板阀也有其缺点，一般认为挡板与喷嘴的间隙小，固定节流孔直径小，因此易堵塞，抗污染能力低；输出流量小，驱动负载功率有限；中位（零位）时阀口常开，负载刚度差，泄漏量稍大。

如果任一喷嘴堵塞，则其所控制的双杆缸活塞或滑阀阀芯将偏向一侧。

作者注：作者对参考文献［24］和［70］的“喷嘴挡板阀对污物不敏感”和“喷嘴挡板阀抗污染能力强”等说法持否定态度。

（2）射流管阀

射流式液压控制阀按其运动部件的不同，可分为射流管式和射流偏转板式两种。图2-6（a）所示为射流管阀的结构原理简图，图2-6（b）所示为接收器小孔与喷嘴面积重叠示意图。

射流管阀由射流管（喷嘴或喷口）1、弹簧2和接收器3等组成。射流管喷嘴相对于接收器上的两个圆形孔可以转动，如将接收器上的两个圆形孔与双杆缸两腔连接，则当射流管喷嘴处于接收器上的两个圆形孔中间位置时，因两个圆孔接收到的喷射能量相等，亦即两圆孔中的压力相等，其向双杆缸两腔输出的压力也相等，即pA=pB，此时，双杆缸停止不动。当射流管偏转一个角度θ后，喷嘴对应圆形孔中间位置偏移了一个位移x，这时喷嘴喷射出的流体进入两个圆孔的能量产生了不同，即进入左圆（A）孔的能量大于进入右圆（B）孔的能量，从而使左圆（A）孔的压力升高，右圆（B）孔的压力降低，即产生了pA-pB=pL＞0的负载压力pL，由此压力推动双杆缸活塞向右运动。当射流管偏转一个相反角度θ后，压力变化情况将相反，双杆缸活塞将向左运动。

射流管阀是依据动量转换原理设计的，其优点是结构简单，无死区，无微小孔（或表述为射流管喷嘴孔较大），对液压油的污染较为不敏感，抗污染能力强，从而可以获得较高的可靠性和使用寿命。工作时液压功率损失不大，效率较高，所以射流管阀既可以作为前置级放大元件，也可作为小功率电液伺服系统的功率放大元件。但射流管阀也有其缺点，射流管运动（转动）惯量较大，其动态特性稍差，且易在射流力作用下产生振动；零位泄漏量大，功率损失大；其特性不易预测，受液压油黏度变化影响大，低温时特性较差。

如果射流管堵塞，则其所控的双杆缸活塞或滑阀阀芯可能停止不动或回中位，往往可使被控对象处于安全状态。

为了克服射流管运动（转动）惯量大、动态特性稍差的缺点，可以将运动部件改为接收器作用的偏转板，使其运动惯量小，响应变快，亦即射流偏转板式阀或射流偏转板式液压放大器。

作者注：因射流管与供油管容易产生谐振，射流管也易受到反射流的冲击而产生扰动，所以作者对参考文献［70］的“射流管阀具有较好的可靠性和稳定性”的说法存疑。

（3）综合式多级液压放大器

因一般电-机械转换器可控制的单级电液伺服阀的输出功率都很小（有限），在电液伺服阀传递及控制的液压功率较大时，无法直接驱动输出级（或称功率级）液压放大器（滑阀）的运动，此时需要增大液压前置级放大能力，即把一级电液伺服阀作为液压前置级放大器来控制二级电液伺服阀的输出级，此种结构的电液伺服阀称为两级（或二级或双级）伺服阀。当然，还有把电-机械转换器控制的液压前置一级放大器、液压前置一级放大器控制的液压前置二级放大器和液压前置二级放大器控制的输出级（功率级）组合成三级电液伺服阀的，进一步还可用三级伺服阀控制输出级（功率级）组成四级电液伺服阀。

在两级、三级甚至四级电液伺服阀中，除最后一级液压放大器被称为输出级（功率级）液压放大器外，其他级液压放大器都可称为液压前置级放大器。液压前置级放大器可以是综合式多级液压放大器，如喷嘴挡板-滑阀式、射流管-滑阀式等，而输出级（功率级）液压放大器或称液压主控制阀一般均采用滑阀。

图2-10（f）所示为一种典型的三级电液流量伺服阀结构简图。

此三级电液方向流量伺服阀是由专用电子控制器，两级双喷嘴力反馈电液流量伺服阀作为液压前置二级放大器以及滑阀式输出级液压放大器（液压主控制阀——三级阀）等组成的。

三级电液伺服阀是为了满足大功率和特大功率负载驱动或控制的需要，采用两级电液伺服阀作为液压前置级放大器，控制大直径圆柱滑阀阀芯移动，从而控制500～1000L/min这样的大流量，甚至控制特大流量。

2.1.4　输出级液压放大器（液压主控制阀）

带有四个或三个主阀口的四通圆柱滑阀（四通阀）或三通圆柱滑阀（三通阀）最为常用。

圆柱滑阀是靠节流原理工作的，其借助于阀芯与阀套间的相对运动来改变节流口面积的大小，对流体的流量和/或压力进行控制。圆柱滑阀的结构型式多，控制性能好，在电液伺服控制系统中应用最为广泛，其既可以用作功率级液压控制阀，也可以用作前置级液压控制阀，接受力矩马达的控制。

如图2-7所示，圆柱滑阀根据其结构型式可以从不同角度来分类。

（1）按主阀口数量分类

按阀的主阀口数目分类，可以分为四通阀［见图2-7（a）～（d）］、三通阀［见图2-7（e）］和二通阀［见图2-7（f）］。

四通阀有两个工作油口，可用于控制双作用液压缸或液压马达作双向运动。由于三通只有一个工作油口用于控制，故只能用来控制差动液压缸，且该工作油口应与差动缸无杆腔油口连接（或表述为应与缸有效面积较大者连接）。为了实现液压缸往复运动，须在液压缸有杆腔施加一个固定的偏置压力，这个偏置压力一般可以从供油压力处引入，也可利用弹簧等产生。二通阀只有一个工作油口用于控制，必须与一个固定节流孔（固定阻尼）配合使用才能控制液压缸一个腔；而在液压缸的另一腔也必须施加一个固定的偏置压力，才能使液压缸可做往复运动。

（2）按工作边数目分类

按滑阀形成的可变节流口的工作边对数目，可分为四边阀［见图2-7（a）～（c）］、双边阀［见图2-7（d）、（e）］和单边阀［见图2-7（f）］。

当滑阀向一个方向有一个位移时，四边阀在阀芯上有四条节流工作边控制四个可变节流口，双作用液压缸的两个腔可由其中的两个可变节流口分别同时控制；而当滑阀向另一个方向有一个足够位移时，双作用液压缸的两个腔可由其中另外两个可变节流口分别同时控制。这样双作用液压缸的每一腔都由一个可变节流口控制，其控制性能最好。而单边阀在阀芯上只有一条节流工作边控制一个可变节流口，只能控制液压缸的一个腔，控制性能较差；双边阀控制性能居中。但从产品结构工艺性上看，四边阀最为复杂，单边阀最为简单。

（3）按阀芯台肩数目分类

按圆柱滑阀阀芯的凸肩数目，可分为两凸肩［见图2-7（a）、（d）～（f）］、三凸肩［见图2-7（b）］、四凸肩［见图2-7（c）］等各种滑阀。二通阀一般采用两凸肩，三通阀或四通阀可以采用两凸肩，也可采用多于两凸肩，如图2-7（a）所示，两凸肩四通阀结构简单，阀芯长度可以较短，但阀芯轴向移动导向性差，阀芯上的凸肩容易被阀套槽勾住、卡住，更不能做成全周开口的阀。另外，阀芯两端回油流道的液流阻力不同，阀芯两端所受的液压力不相等，使阀芯不能稳定在确定位置，给阀的控制造成了困难。四凸肩四通阀导向性能和密封性能均较好，但轴向尺寸较大。三凸肩阀芯轴向尺寸适中。

（4）按遮盖状况分类

关于遮盖，因为存在着常规的圆柱滑阀和连续控制阀之分，而现在可见的参考文献基本上都是以常规的圆柱滑阀为基础来对电液伺服阀进行分类的。

例如，根据阀芯凸肩与阀套（内环）槽宽的不同组合或阀芯凸肩在阀套槽间的位置不同，滑阀预开口型式可分为负开口（正重叠、正遮盖）、零开口（零重叠、零遮盖）和正开口（负重叠、负遮盖）。图2-8所示为不同阀芯凸肩与阀套槽宽组合形成的三种预开口型式。

对于径向间隙为零、节流工作边棱锐利的理想滑阀，其流量特性曲线如图2-9所示。实际上滑阀总存在径向间隙和工作边棱圆角的影响，因此，实际工程中根据滑阀的流量特性曲线来确定阀的预开口型式更为合理。

阀的预开口型式，特别是零位附近（零区）特性对电液伺服阀及其系统的性能有很大影响。零开口阀的流量与阀芯位移呈线性，线性的流量增益对反馈控制非常有利，因而零开口滑阀应用最为广泛，但其加工制造也非常困难。工程上具有线性零开口特性的滑阀，往往需要阀芯凸肩与阀套内环槽槽宽的轴向尺寸关系具有很小的正重叠，以消除实际滑阀存在径向间隙和工作边棱圆角的影响。负开口滑阀零位泄漏小，但是负开口滑阀的流量增益曲线存在死区非线性，这是一种本质非线性，对反馈控制非常不利，将影响控制系统的稳态误差，因此在高精度的电液伺服系统中较少应用。正开口滑阀在零位附近流量增益变大，超过正开口范围，增益降低；在滑阀工作区间内的流量增益是非线性的，但不是本质非线性的。正开口滑阀在零位压力敏感度低，泄漏量大，功率损耗大，在一定程度上限制了其应用。

（5）按阀套上节流窗口的形状分类

按阀套上节流窗口的形状，可分为矩形、圆形、三角形或其他形状的节流窗口，其中因矩形节流窗口的过流面积与阀芯位移成正比，可以获得线性的流量增益，因此在电液伺服阀中应用最多。

2.1.5　电液伺服阀反馈或平衡机构

在现代的电液伺服阀中，一般均有各种测量、反馈机构，其对电液伺服阀输出参数进行测量、反馈，并与输入信号进行比较，构成闭环控制，可使电液伺服阀获得输出的流量和/或压力与输入的电信号成比例的控制特性，也可使电液伺服阀对各种干扰引起的控制误差得到抑制，进而使得电液伺服阀成为控制精度很高的液压控制元件。

为了使电液伺服阀的结构布置、控制和使用更为灵活、方便、可靠，目前，越来越多的电液伺服阀采用电反馈，并将伺服放大器也做成内置式，成为电液伺服阀的一个组成部分。

因此，电液伺服阀本身一般是一个闭环控制系统。

限于本书篇幅现对本节不再做展开介绍了，且电液伺服阀反馈或平衡机构在本书其他章节（如下节）中已有一些描述，读者如需进一步了解还可参阅参考文献［27］等。