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MOOG伺服閥的原理

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雙擋板式力反饋二級(jí)電液MOOG伺服閥由電磁和 液壓兩部分組成。電磁部分是永磁式力矩馬達(dá) ，由 *磁鐵 ，導(dǎo)磁體 ，銜鐵 ，控制和彈簧管組成。 液壓部分是結(jié)構(gòu)對(duì)稱 的二級(jí)液壓放大器 ，前置級(jí)是 雙噴嘴擋板閥，功率級(jí)是 四通滑閥?；y通過反饋 桿與銜鐵擋板組件相連。
力矩馬達(dá)把輸入的電信號(hào)（電流）轉(zhuǎn)換為力矩輸 出。無信號(hào)時(shí)，銜鐵 由彈簧管支撐在上下導(dǎo)磁體的 中間位置 ，*磁鐵在 四個(gè)氣隙中產(chǎn)生 的極化磁通 是相同的力矩馬達(dá)無力矩輸出。此時(shí)，擋板處于兩 個(gè)噴嘴的中間位置，噴嘴兩側(cè)的壓力相等，滑閥處于 中間位置 ，閥無液壓輸出；若有信號(hào)時(shí)控制線圈產(chǎn)生 磁通 ，其大小和方向由信號(hào)電流決定 ，磁鐵兩極所受 的力不 一樣 ，于是，在磁鐵上產(chǎn)生 磁轉(zhuǎn)矩 （如逆 時(shí) 針），使銜鐵繞彈簧管 中心逆時(shí)針方 向偏轉(zhuǎn) ，使擋板 向右偏移 ，噴嘴擋板的右側(cè)間隙減小而左側(cè)間隙增 大 ，則右側(cè)壓力大于左側(cè)壓力 ，從而推動(dòng)滑閥左移。 同時(shí)，使反饋桿產(chǎn)生彈性變形 ，對(duì)銜鐵擋板組件產(chǎn)生 一個(gè)順時(shí)針方向的反轉(zhuǎn)矩。當(dāng)作用在銜鐵擋板組件 上的電磁轉(zhuǎn)矩，彈簧管反轉(zhuǎn)矩 ，反饋桿反轉(zhuǎn)矩等諸力 矩達(dá)到平衡時(shí)，滑閥停止移動(dòng)，取得一個(gè)平衡位置并有相應(yīng)的流量輸出。 滑閥位移 ，擋板位移 ，力矩馬達(dá)輸出力矩等都與 輸入的電信號(hào)（電流 ）成比例變化。
MOOG伺服閥的基本組成
由力矩馬達(dá)和液壓放大器組成。
力矩馬達(dá)組成
由一對(duì)*磁鐵、導(dǎo)磁體和銜鐵、線圈和內(nèi)部懸置擋板的彈簧管等組成 。
液壓放大器組成
前置放大器  前置放大級(jí)是一個(gè)雙噴嘴擋板閥，它主要由擋板、噴嘴、節(jié)流孔和濾油器組成。
功率放大器  功率放大級(jí)主要由滑閥9和擋板下部的反饋彈簧片組成。
MOOG伺服閥的選型
對(duì)于MOOG伺服閥的選取,有許多因素可考慮,但有兩點(diǎn)是設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真對(duì)待的。
1 　閥的類型
在滿足系統(tǒng)zui重要指標(biāo)（如閥的頻寬、流量特性等） 的前提下,盡量考慮選用對(duì)油的污染敏感度低的MOOG伺服閥（而不是比例閥） 。實(shí)踐證明,80 %以上MOOG伺服閥的故障與70 %以上的伺服系統(tǒng)的故障來自于油的污染,而油的污染zui容易堵塞的是MOOG伺服閥的流道（如噴嘴擋板閥的噴嘴與擋板間的間隙,通常其間隙量小于0. 1mm） 。
就閥本身而言,一般情況下,其對(duì)油的污染的不敏感性為:大流量閥優(yōu)于小流量閥（結(jié)構(gòu)形式和放大級(jí)數(shù)相同前提下） ,動(dòng)圈式力馬達(dá)（推力或力矩大） 優(yōu)于動(dòng)鐵式力矩馬達(dá),滑閥式（取消固定節(jié)流孔后流道變大） 和射流管式（噴嘴及其與接受孔間的距離大） 優(yōu)于噴嘴擋板式,比例閥（其滑閥行程xv 大） 優(yōu)于MOOG伺服閥,比例壓力閥或比例拆裝閥優(yōu)于比例方向閥。如噴嘴擋板式MOOG伺服閥,對(duì)油的精度要求為優(yōu)于NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的6 級(jí)（ ISO4406 標(biāo)準(zhǔn)的14/ 11 級(jí)） ,而動(dòng)圈式力馬達(dá)式MOOG伺服閥或比例方向閥,對(duì)油的精度要求為NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的7 級(jí)（ ISO4406 標(biāo)準(zhǔn)的15/ 12 級(jí)） 即可。而比例壓力閥或比例拆裝閥對(duì)油的精度要求還可再低一個(gè)等級(jí),如NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的8 級(jí)（ ISO 標(biāo)準(zhǔn)的16/ 13 級(jí)） ,已接近普通拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)油的使用要求。
有一種考慮是設(shè)計(jì)中盡量選用比例閥,其依據(jù)是既可使系統(tǒng)對(duì)油的精度要求降低,又可降低成本。筆者認(rèn)為這種想法是不足取的。因?yàn)楸壤y不僅頻響低（一般低于10 赫芝,新設(shè)計(jì)概念的“比例閥”另當(dāng)別論,因其已超出了傳統(tǒng)比較閥的范疇,且價(jià)格不菲） ,更要緊的是,由于結(jié)構(gòu)原理和加工精度等原因,它的非線形區(qū)（死區(qū)） 范圍大。所以選用比例閥作閉環(huán)控制的直接后果是:
（1） 使整個(gè)系統(tǒng)的頻響大大降低。由控制理論分析知,即使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即缸） 的頻響再高,整個(gè)系統(tǒng)的頻寬也不會(huì)大于10 赫芝。
（2） 有可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定（由控制理論非線形分析可知） ,造成伺服液壓缸無法正常工作。所以,在選用比例閥時(shí)應(yīng)慎重。一般認(rèn)為,在滿足頻響（由分析知,當(dāng)閥的頻響大于3 倍缸的頻響時(shí),系統(tǒng)動(dòng)特性就由缸的頻響決定） 的前提下,對(duì)于中小流量（小于100 升/ 分） 情況,建議選用單級(jí)動(dòng)圈式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滑閥式MOOG伺服閥（如Moog633 、634 等,其頻響很易做到80 - 100 赫芝） 。對(duì)于大流量（100 升/ 分以上） ,建議選用動(dòng)圈式力馬達(dá)為先導(dǎo)級(jí)的滑閥式多級(jí)MOOG伺服閥（如上海液壓件一廠的DY系列、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所的SV 系列等,其頻響可達(dá)50 - 80 赫芝） 。
這種僅供參考的選取,可以兼顧伺服缸對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求和對(duì)油的污染度的要求。
2 　閥的流量
一般選取的順序是,先由執(zhí)行機(jī)構(gòu)zui大負(fù)載pL下應(yīng)達(dá)到的速度確定負(fù)載流量QL ,再由QL 確定系統(tǒng)的空載流量QS ,即
QS = QL
pS
pS - pL
式中: pS -系統(tǒng)供油壓力;
pL -負(fù)載壓力
定出QS 后,再由樣本選取規(guī)定閥壓降ΔpN （一般為7MPa） 下的空載流量QR ,即:
QR = QS
ΔpN
pS
這樣,閥的流量就可以初步確定下來了。
但是,考慮到輸入信號(hào)的多變性（常會(huì)大于預(yù)計(jì)輸入信號(hào)的zui大值,此時(shí)會(huì)引起流量飽和,劣化系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)） ,為使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,建議實(shí)際選用的MOOG伺服閥的空載流量QR應(yīng)大于或等于2 倍的計(jì)算空載流量QR 。閥的規(guī)格過大的不足是響應(yīng)慢（因慣量大） ,且閥的大行程得不到經(jīng)常有效的工作和磨合,系統(tǒng)的靈敏度也差。
改善這種狀況有效的做法是,選用兩個(gè)較小規(guī)格的MOOG伺服閥,其流量之和等于所需的一個(gè)大規(guī)格閥的流量,將其并聯(lián)使用,這可在幾乎不增加成本的前提下明顯改善伺服缸的動(dòng)特性。
MOOG伺服閥的常見故障
1 力矩 馬達(dá)部分
1．1 線圈斷線 ：引起閥不動(dòng)作，無電流。
1．2 銜鐵卡住或受到限位 ：原因?yàn)楣ぷ鳉庀秲?nèi)有 雜物，引起閥門不動(dòng)作。
1．3 球頭磨損或脫落 ：原因?yàn)槟p ，引起MOOG伺服閥 性能下降 ，不穩(wěn)定 ，頻繁調(diào)整。
1．4 緊固件松動(dòng) ：原因?yàn)檎駝?dòng) ，固定螺絲松動(dòng)等， 引起零偏增大。
1．5 彈簧管疲勞：原 因?yàn)槠?，引起系統(tǒng)迅速失 效 ，MOOG伺服閥逐漸產(chǎn)生振動(dòng)，系統(tǒng)震蕩，嚴(yán)重 的管路也 振動(dòng) 。
1．6 反饋桿彎曲：疲勞或人為損壞 ，引起閥不能 正常工作 ，零偏大 ，控制電流可能到zui大。
2 噴嘴擋板部分：
2．1 噴嘴或節(jié)流孔局部或全部堵塞 ：原因?yàn)橛鸵?污染。引起頻響下降，降低 ，嚴(yán)重的引起系統(tǒng) 不穩(wěn)定 。
2．2 濾芯堵塞：原 因?yàn)橛鸵何廴?。引起頻響下 降 ，分辨率降低 ，嚴(yán)重的引起系統(tǒng)擺動(dòng)。
3 滑閥放 大器部 分 ：
1 刃邊磨損 ：原因?yàn)槟p。引起泄漏 ，流體躁 聲大 ，零偏大 ，系統(tǒng)不穩(wěn)定 。
2  徑 向?yàn)V芯磨損 ：原因?yàn)槟p。引起泄漏增 大，零偏增大 ，增益下降。
3 滑 閥卡滯 ：原 因?yàn)橛鸵何廴?，滑閥變形。引 起波形失真，卡死。
4 其 它部 分 ：
4．1 密封件老化 ：壽命已到或油液不符。引起閥 內(nèi)外滲油 ，可導(dǎo)致MOOG伺服閥堵塞。
雙擋板式力反饋二級(jí)電液MOOG伺服閥由電磁和 液壓兩部分組成。電磁部分是永磁式力矩馬達(dá) ，由 *磁鐵 ，導(dǎo)磁體 ，銜鐵 ，控制和彈簧管組成。 液壓部分是結(jié)構(gòu)對(duì)稱 的二級(jí)液壓放大器 ，前置級(jí)是 雙噴嘴擋板閥，功率級(jí)是 四通滑閥?；y通過反饋 桿與銜鐵擋板組件相連。
力矩馬達(dá)把輸入的電信號(hào)（電流）轉(zhuǎn)換為力矩輸 出。無信號(hào)時(shí)，銜鐵 由彈簧管支撐在上下導(dǎo)磁體的 中間位置 ，*磁鐵在 四個(gè)氣隙中產(chǎn)生 的極化磁通 是相同的力矩馬達(dá)無力矩輸出。此時(shí)，擋板處于兩 個(gè)噴嘴的中間位置，噴嘴兩側(cè)的壓力相等，滑閥處于 中間位置 ，閥無液壓輸出；若有信號(hào)時(shí)控制線圈產(chǎn)生 磁通 ，其大小和方向由信號(hào)電流決定 ，磁鐵兩極所受 的力不 一樣 ，于是，在磁鐵上產(chǎn)生 磁轉(zhuǎn)矩 （如逆 時(shí) 針），使銜鐵繞彈簧管 中心逆時(shí)針方 向偏轉(zhuǎn) ，使擋板 向右偏移 ，噴嘴擋板的右側(cè)間隙減小而左側(cè)間隙增 大 ，則右側(cè)壓力大于左側(cè)壓力 ，從而推動(dòng)滑閥左移。 同時(shí)，使反饋桿產(chǎn)生彈性變形 ，對(duì)銜鐵擋板組件產(chǎn)生 一個(gè)順時(shí)針方向的反轉(zhuǎn)矩。當(dāng)作用在銜鐵擋板組件 上的電磁轉(zhuǎn)矩，彈簧管反轉(zhuǎn)矩 ，反饋桿反轉(zhuǎn)矩等諸力 矩達(dá)到平衡時(shí)，滑閥停止移動(dòng)，取得一個(gè)平衡位置并有相應(yīng)的流量輸出。 滑閥位移 ，擋板位移 ，力矩馬達(dá)輸出力矩等都與 輸入的電信號(hào)（電流 ）成比例變化。
MOOG伺服閥的基本組成
由力矩馬達(dá)和液壓放大器組成。
力矩馬達(dá)組成
由一對(duì)*磁鐵、導(dǎo)磁體和銜鐵、線圈和內(nèi)部懸置擋板的彈簧管等組成 。
液壓放大器組成
前置放大器  前置放大級(jí)是一個(gè)雙噴嘴擋板閥，它主要由擋板、噴嘴、節(jié)流孔和濾油器組成。
功率放大器  功率放大級(jí)主要由滑閥9和擋板下部的反饋彈簧片組成。
MOOG伺服閥的選型
對(duì)于MOOG伺服閥的選取,有許多因素可考慮,但有兩點(diǎn)是設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真對(duì)待的。
1 　閥的類型
在滿足系統(tǒng)zui重要指標(biāo)（如閥的頻寬、流量特性等） 的前提下,盡量考慮選用對(duì)油的污染敏感度低的MOOG伺服閥（而不是比例閥） 。實(shí)踐證明,80 %以上MOOG伺服閥的故障與70 %以上的伺服系統(tǒng)的故障來自于油的污染,而油的污染zui容易堵塞的是MOOG伺服閥的流道（如噴嘴擋板閥的噴嘴與擋板間的間隙,通常其間隙量小于0. 1mm） 。
就閥本身而言,一般情況下,其對(duì)油的污染的不敏感性為:大流量閥優(yōu)于小流量閥（結(jié)構(gòu)形式和放大級(jí)數(shù)相同前提下） ,動(dòng)圈式力馬達(dá)（推力或力矩大） 優(yōu)于動(dòng)鐵式力矩馬達(dá),滑閥式（取消固定節(jié)流孔后流道變大） 和射流管式（噴嘴及其與接受孔間的距離大） 優(yōu)于噴嘴擋板式,比例閥（其滑閥行程xv 大） 優(yōu)于MOOG伺服閥,比例壓力閥或比例拆裝閥優(yōu)于比例方向閥。如噴嘴擋板式MOOG伺服閥,對(duì)油的精度要求為優(yōu)于NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的6 級(jí)（ ISO4406 標(biāo)準(zhǔn)的14/ 11 級(jí)） ,而動(dòng)圈式力馬達(dá)式MOOG伺服閥或比例方向閥,對(duì)油的精度要求為NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的7 級(jí)（ ISO4406 標(biāo)準(zhǔn)的15/ 12 級(jí)） 即可。而比例壓力閥或比例拆裝閥對(duì)油的精度要求還可再低一個(gè)等級(jí),如NAS1638 標(biāo)準(zhǔn)的8 級(jí)（ ISO 標(biāo)準(zhǔn)的16/ 13 級(jí)） ,已接近普通拖動(dòng)系統(tǒng)對(duì)油的使用要求。
有一種考慮是設(shè)計(jì)中盡量選用比例閥,其依據(jù)是既可使系統(tǒng)對(duì)油的精度要求降低,又可降低成本。筆者認(rèn)為這種想法是不足取的。因?yàn)楸壤y不僅頻響低（一般低于10 赫芝,新設(shè)計(jì)概念的“比例閥”另當(dāng)別論,因其已超出了傳統(tǒng)比較閥的范疇,且價(jià)格不菲） ,更要緊的是,由于結(jié)構(gòu)原理和加工精度等原因,它的非線形區(qū)（死區(qū)） 范圍大。所以選用比例閥作閉環(huán)控制的直接后果是:
（1） 使整個(gè)系統(tǒng)的頻響大大降低。由控制理論分析知,即使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即缸） 的頻響再高,整個(gè)系統(tǒng)的頻寬也不會(huì)大于10 赫芝。
（2） 有可能使控制系統(tǒng)不穩(wěn)定（由控制理論非線形分析可知） ,造成伺服液壓缸無法正常工作。所以,在選用比例閥時(shí)應(yīng)慎重。一般認(rèn)為,在滿足頻響（由分析知,當(dāng)閥的頻響大于3 倍缸的頻響時(shí),系統(tǒng)動(dòng)特性就由缸的頻響決定） 的前提下,對(duì)于中小流量（小于100 升/ 分） 情況,建議選用單級(jí)動(dòng)圈式馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滑閥式MOOG伺服閥（如Moog633 、634 等,其頻響很易做到80 - 100 赫芝） 。對(duì)于大流量（100 升/ 分以上） ,建議選用動(dòng)圈式力馬達(dá)為先導(dǎo)級(jí)的滑閥式多級(jí)MOOG伺服閥（如上海液壓件一廠的DY系列、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所的SV 系列等,其頻響可達(dá)50 - 80 赫芝） 。
這種僅供參考的選取,可以兼顧伺服缸對(duì)動(dòng)態(tài)性能的要求和對(duì)油的污染度的要求。
2 　閥的流量
一般選取的順序是,先由執(zhí)行機(jī)構(gòu)zui大負(fù)載pL下應(yīng)達(dá)到的速度確定負(fù)載流量QL ,再由QL 確定系統(tǒng)的空載流量QS ,即
QS = QL
pS
pS - pL
式中: pS -系統(tǒng)供油壓力;
pL -負(fù)載壓力
定出QS 后,再由樣本選取規(guī)定閥壓降ΔpN （一般為7MPa） 下的空載流量QR ,即:
QR = QS
ΔpN
pS
這樣,閥的流量就可以初步確定下來了。
但是,考慮到輸入信號(hào)的多變性（常會(huì)大于預(yù)計(jì)輸入信號(hào)的zui大值,此時(shí)會(huì)引起流量飽和,劣化系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)） ,為使控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,建議實(shí)際選用的MOOG伺服閥的空載流量QR應(yīng)大于或等于2 倍的計(jì)算空載流量QR 。閥的規(guī)格過大的不足是響應(yīng)慢（因慣量大） ,且閥的大行程得不到經(jīng)常有效的工作和磨合,系統(tǒng)的靈敏度也差。
改善這種狀況有效的做法是,選用兩個(gè)較小規(guī)格的MOOG伺服閥,其流量之和等于所需的一個(gè)大規(guī)格閥的流量,將其并聯(lián)使用,這可在幾乎不增加成本的前提下明顯改善伺服缸的動(dòng)特性。
MOOG伺服閥的常見故障
1 力矩 馬達(dá)部分
1．1 線圈斷線 ：引起閥不動(dòng)作，無電流。
1．2 銜鐵卡住或受到限位 ：原因?yàn)楣ぷ鳉庀秲?nèi)有 雜物，引起閥門不動(dòng)作。
1．3 球頭磨損或脫落 ：原因?yàn)槟p ，引起MOOG伺服閥 性能下降 ，不穩(wěn)定 ，頻繁調(diào)整。
1．4 緊固件松動(dòng) ：原因?yàn)檎駝?dòng) ，固定螺絲松動(dòng)等， 引起零偏增大。
1．5 彈簧管疲勞：原 因?yàn)槠?，引起系統(tǒng)迅速失 效 ，MOOG伺服閥逐漸產(chǎn)生振動(dòng)，系統(tǒng)震蕩，嚴(yán)重 的管路也 振動(dòng) 。
1．6 反饋桿彎曲：疲勞或人為損壞 ，引起閥不能 正常工作 ，零偏大 ，控制電流可能到zui大。
2 噴嘴擋板部分：
2．1 噴嘴或節(jié)流孔局部或全部堵塞 ：原因?yàn)橛鸵?污染。引起頻響下降，降低 ，嚴(yán)重的引起系統(tǒng) 不穩(wěn)定 。
2．2 濾芯堵塞：原 因?yàn)橛鸵何廴?。引起頻響下 降 ，分辨率降低 ，嚴(yán)重的引起系統(tǒng)擺動(dòng)。
3 滑閥放 大器部 分 ：
1 刃邊磨損 ：原因?yàn)槟p。引起泄漏 ，流體躁 聲大 ，零偏大 ，系統(tǒng)不穩(wěn)定 。
2  徑 向?yàn)V芯磨損 ：原因?yàn)槟p。引起泄漏增 大，零偏增大 ，增益下降。
3 滑 閥卡滯 ：原 因?yàn)橛鸵何廴?，滑閥變形。引 起波形失真，卡死。
4 其 它部 分 ：
4．1 密封件老化 ：壽命已到或油液不符。引起閥 內(nèi)外滲油 ，可導(dǎo)致MOOG伺服閥堵塞。