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电液执行器的比较分析贾正伟石博强余洋李 猛马肖丽（北京科技大学机械工程学院，北京100083）摘要： 电液执行器是一种智能型机、电、液一体化动力装置，文章对伺服阀控制式和电动机控制式两种电液执行器在结构、液压系统原理、控制方式、性能、应用等方面进行了详细的比较分析。关键词： 电液执行器；伺服阀；开式系统；闭式系统中图分类号： TH-9，TH137.5文献标识码： B文章编号： 1008-0813（2011）11-0009-04Comparison and Analysis of the Electro-hydraulic ActuatorJIA Zheng-weiSHI Bo-qiang YU YangLI MengMA Xiao-li（School of Mechanical Engineering, University of Science Technology Beijing, Beijing 100083, China）Abstract: Electro-hydraulic actuator is an intelligent power plant which is combined with the mechanics, electronics, and hydraulics.This ariticle made detailed analysis and comparision between servovalve -congtrolled and motor -controlled electro -hydraulic actuatorin the structure, hydraulic syetem principle, controlmode, performance, applications,etc.Key Words:electro-hydraulicactuator；servovalve；opensystem； closed system引言执行器作为一种动力装置， 综合了气动、 液压、 控 制、机电、计算机、通信等技术，可以快速、稳定地对被泵压力油输出方向和流量，对被控对象进行精确调控，如韩国 RPM、美国 REXA 等电液执行器。0电液执行器与气动及电动执行器的比较气动执行器的执 行机构和调节机构是统一的整 体，其执行机构有薄膜式、活塞式、拨叉式和齿轮齿条 式。 采用气体做动力介质，最大的优点是安全性高，对 使用环境要求低，可应用于易燃易爆的工作场合。 但由 于气体的可压缩性， 刚度相对较低的气动执行器响应 较慢，分辨率欠佳，控制精度低，抗偏差能力较差，应用 在动态力或摩擦较大情况下时， 极易引起设备的不良 振动。 且其能-重比差，功率密度低，较大驱动力的气动 执行器极其复杂、笨重而昂贵。 虽然在高精度控制方面 不足，但由于气动执行器安全，易于操作、维护，初始投 资省，有较高性价比，在化工、航天等领域应用广泛。电动执行器又称电动执行机构， 使用单相或三相1控对象的位置进行精确控制，不仅应用于各种阀门的驱动、控制中，而且现已广泛应用在电力、水利、冶金、造纸、航天、管线、石化、工业装备、食品加工等领域众 多需要动力驱动的部位1,2。 按所用驱动能源形式划分， 执行器可分为气动执行器、电动执行器和电液执行器。电液执行器将控 制模块和液压动力模块集成一 体，分为直行程、角行程两种。 控制模块发出指令到智 能可控电动机或伺服阀， 控制液压动力模块以线性位 移（或角位移）输出力（或力矩），驱动被控对象，并通过 位移反馈完成调节过程，实现各种功能控制。目前市场上使用最多的电液执行器一般可分为两 种：一种是伺服阀控制式电液执行器，即传统的电液伺 服执行器，通常采用开式循环液压系统，通过控制伺服 阀调节液压油流动方向及流量大小， 实现对被控对象 的调节，如德国的 Reineke 电液执行器；另一种是电动 机控制式电液执行器，采用闭式循环液压系统，通过调 节步进电动机或伺服电动机的转向和转速来控制双向电动机驱动齿轮或蜗轮蜗杆输出直线或旋转运动。电动执行器可输出相对恒定的驱动力，高度稳定，抗偏差能力强，控制精度要比气动执行器高，不用借助其他辅 助系统可自动保位，但其结构复杂，易发生故障， 维护 费用高，调节过于频繁会引起电动机发热，减速齿轮易 磨损。 此外，电动执行器运行缓慢，难于实现大驱动力， 且存在过载保护实现困难、不良位置等问题3。 电动执 行器最适合开/关操作，主要应用于动力厂或核动力厂。收稿日期：2011-04-27作者简介：贾正伟（1985-），男，硕士研究生，现就读于北京科技大学机械 工程学院车辆工程专业，研究方向为液压系统的设计与研究。9表 1 气动、电动、电液执行器的比较1-油箱 2-电动机 3-双联液压泵 4-单向阀5-液控换向阀 6-溢流阀 7-测压点 8-高压过滤器9-压力继电器 10-伺服阀 11-双向液压锁12-双单向节流阀 13-溢流阀 14-液压缸 15-限位开关 图 1 双泵供油电液执行器液压原理1-油箱 2-电动机 3-液压泵 4-吸油过滤器 5-卸荷溢流阀6-二位二通电磁阀 7-单向阀 8-压力继电器 9-高压过滤器10-手动截止阀 11-泄压阀 12-蓄能器 13-压力表 14-伺服阀15-双单向节流阀 16-溢流阀 17-液压缸 18-限位开关 图 2 单泵-蓄能器供油电液执行器液压原理液压气动与密封/2011 年第 11 期电液执行器集成了电动操作的简易性、液压的动力进行连续双向控制，从而实现对执行器位移、 速度、加速度和力的控制，动态响应速度快， 控制精度高， 结 构紧凑， 广泛用于快速高精度的各类机械设备的液压 闭环控制中5。力快速、固态电子的可靠性和用户配置的灵活性，具有响应速度快、控制精度高、输出功率大、结构紧凑等优 点。 电液执行器克服了气动执行器的控制精度低、电动执行器的可控性差等问题，在一定的应用场合和工作依据伺服阀压力油源供给方式的不同，电液伺服环境下，具有无可比拟的优势，因而广泛应用在电厂、石化等比较特殊的场合。 表 1 对三种执行器在驱动力、控制精度等方面进行了比较。执行器通常又有两种：一种是采用双泵供油，电动机不停的工作，伺服阀始终有压力油供给，以此来保证系统 调节的快速性，如 Reineke 电液执行器，其液压原理如 图 1 所示。 另一种采用单泵-蓄能器组合作为伺服阀压 力油源，其简化液压原理如图 2 所示。电液执行器结构及原理传统电液伺服执行器传统电液伺服执行器将油源站与电液伺服系统集22.1成为一体4，所有部件如电动机-泵单元、伺服或比列控制阀、液压缸、位置反馈组件、压力表、液位和温度报警 传感器、过滤器、溢流阀、单向阀等都安装在容器内部。 电动机通常为鼠笼式异步电动机，性能稳定，可满足电 液伺服执行器各工况要求，且价格较低。 伺服阀为电液 伺服执行器的控制核心，既是电液转换元件，又是功率放大元件，其功用是将小功率的电信号输入转换为大功率液压能（压力和流量）输出，能够对输出流量和压10图 3 电液伺服执行器控制方框图1-油箱 2-电动机 3-双向液压泵 4-吸油过滤器5-单向阀 6-双向液压锁 7-溢流阀 8-液压缸 9-限位开关 图 4 电动机控制式电液执行器液压原理图 5 电动机控制式电液执行器控制方框图 Hydraulics Pneumatics & Seals/No.11.2011图 1 所示双泵供油电液伺服执行器依靠电动机 2驱动双联泵 3 经过过滤器 8 和伺服阀 10 将液压油送 入动力液压缸 14 中。 泵 3.2 供油到伺服阀，当有小的控 制偏差时也供油到动力液压缸。 当控制偏差小时， 泵3.1 由液控换向阀 5 和溢流阀 6 控制转换到循环状态，产生的偏差信号经伺服放大器放大后输出一个与偏差信号成一定函数关系的控制电流驱动伺服阀， 调节液压油流动方向及流量大小，控制液压缸按指定方向运动，实现对被控对象的调节，直到指令信号和反馈信号偏差为零或在容许范围之内，调节过程才会停止。实现其卸荷。在要求大容量动作的情况下，泵 3.1 也供电动机控制式电液执行器市 场 上 电 动 机控制式电液执行器无论是液压系 统、控制方式还是工作过程都大同小异，均采用步进电 动机或伺服电动机、高精度双向齿轮泵、液压缸、油箱、 反馈组件等。 所有组件均与外部独立、封闭，高度集成， 模块化、小型化设计2,7。电动机控制式电液执行器简化液压原理如图 4 所 示，为闭式循环液压系统，采用等量泵入/吐出原理进行2.2油到动力液压缸。 这样的组合，一方面可确保在大的控制偏差下有足够的油量使活塞以所需要的速度运行； 另一方面，保证仅提供所需要的油量来满足要求，避免 无功损耗和过多的发热； 最重要的是执行器工作时伺 服阀始终有压力油源，可保证其调节控制响应速度。测压点 7 处接压力表可检测液压泵的输出油压，单向阀 4 实现双泵合流，双向液压锁 11 可实现动力液压缸保位，双单向节流阀 12 为回油节流调速。双向液工作，效率较高8。当执行器得到液压缸活塞向上移动压锁、双单向节流阀可根据使用情况来决定是否应用。单泵-蓄能器供油电液伺服执行器依据泵和蓄能器规 格、伺服阀油源、工作方式的不同又可分为两种： 一种 是采用定量泵-溢流阀作定压油源；另一种是采用定量 泵-蓄能器-卸荷阀作油源。定量泵-溢流阀式执行器（无压力继电器） 工作时 电动机 2 不停地运转， 通过定压溢流阀 5 的溢流使供油压力恒定，结构简单，反应迅速，压力变动小。 液压源的流量按系统控制流量确定，系统效率低，发热和温升 大。 利用蓄能器可减小泵的规格，降低系统压力波动和 负载流量变化对油源压力的影响6。 一般适用于中低压 电液伺服执行器。的指令信号时， 伺服电动机或步进电动机 2 驱动液压泵 3 旋转， 泵 B 口输出的压力油经液控单向阀进入双 作用液压缸 8 下腔，推动活塞上移， 同时， 液压缸上腔回油直接作用在液压泵的吸入口 A 上，回油背压变为推动液压泵旋转的动力， 可减少电动机的功率消耗9；当得到相反的指令信号时， 电动机驱动液压泵反向旋 转，压力油推动活塞下移；当活塞移动到预定位置时， 电动机及液压泵停转， 双向液压锁 6 确保动力液压缸 原位锁定。 电液执行器油压超过溢流阀 7 设定压力时， 溢流阀开启溢流，实现过载保护。 由于泄漏、溢流等因 素引起循环液压油不足时，系统会产生一定真空，油箱 的液压油经过滤器 4、单向阀 5 等被吸入液压泵低压吸 油口，补充系统液压油损失，防止气穴等现象的发生。定量泵-蓄能器-卸荷阀式执行器工作时，当蓄能器内的油压达到压力继电器 8.1 设计上限时，电动机 2停止运转，靠蓄能器 12 储存的高压油来维持执行器的 工作，一旦蓄能器内的油压降到 8.1 下限，电动机自动 启动，向蓄能器补充高压油，如文献4 中所介绍的自容式电液执行器。过于频繁启动会降低电动机和泵的寿命，根据使用情况，供油压力变动范围也可由压力继电器 8.2 通过卸荷溢流阀 5 和电磁阀 6 控制，泵卸荷时，由蓄能器保压供油。 该系统供油压力在一定范围内波动，一般的电液伺服执行器均可适用。 可根据使用情况 选用或弃用一些液压元件，比如图 2 中双单向节流阀。上边所述电液伺服执行器均为闭环控制系统，图 3为其控制方框图。与电液伺服执行器不同，目标指令信号与位置反馈信号比较放大后控制的是伺服 电动机或步进电动 机，图 5 为其控制方框图，通过控制电动机转向和转速 来调节双向定量泵的转向和流量输出。目标位置指令信号和位移传感器反馈信号比较后（下转第 35 页）11图3 频率响应特性曲线图 4 消耗功率测试图 Hydraulics Pneumatics & Seals/No.11.2011结论（1） 精密数字液压机系统能精确控制整个压装过 程所需的压力与流量,消除高压节流的能源损耗, 达到 节能省电的效果, 并同时降低系统油温和噪声污染,是 一举数得的最佳系统。（2）最高节能率达 80%,平均节能率 60%以上。（3）智慧、节能、环保。4参 考 文 献1 雷 天 觉. 新编液压工程手册M. 北 京: 北京理工大学出版社,1998.2 海锦涛.锻压手册M.北京:机械工业出版社,1996.3 帅长红.液压机设计、制造新工艺新技术及质量检验标准规 范M.北京:北方工业出版社,2006.4 孙友松，周先辉，等.交流伺服压力机及其关键技术J.锻压技 术，2008(4).111111111111111111111111111111111111111111111（上接第 11 页）根据设置时确定的行程和信号范围，位置控制处结论在不同的应用环境下，气动、 电动、 电液执行器各 有自己的优势，本文总结了三种执行器的优缺点，并以 伺服阀控制式和电动机控制式两种类型电液执行器为 例，从液压原理、控制方式、结构、性能、应用等方面作 了详细的比较分析， 对执行器的设计和使用有一定的 实用价值。参 考 文 献4理器把外部送入的指令信号转化为目标位置，执行器的当前位置通过装在执行器上的位移传感器测定。 目标位置和当前位置的差值为控制偏差， 如果偏差超出 了用户设定的死区，执行器将启动电动机，驱动液压泵 旋转，调节执行器输出到预定位置，运动到位后电动机 及泵停转1。电液执行器的应用分析高精度的电液伺服执行器输出推力大，3李蕊,魏宏林,肖军.一种新型电液执行器与传统电液伺服执行器的比较J.机械研究与应用,2003(B08).张兴政,马仁库,聂强.REXA 电液执行器在汽轮机 DEH 中的 应用J.发电设备,2003(4).Brian Nesbitt. Handbook of Valves and Actuators M. Great Bri