射流管伺服阀在航空航天领域的应用

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射流管伺服阀在航空航天领域的应用

章敏莹,方群,金瑶兰,渠立鹏,王亚鸿

6 w, W7 J9 |1 \! p(中船重工集团七〇四研究所伺服阀产业部  上海
200070)
& D9 L  H; q: f* L
$ d1 l- T: Q# b/ d4 ~$ r
摘要：射流管伺服阀因其前置级为射流管式放大器而得名，它与一般双喷挡型伺服阀相比具有极强的抗污染性。本文介绍了射流管式伺服阀的特点，以及美国、欧洲及俄罗斯等发达国家在航空航天领域大量使用射流管伺服阀的情况。同时根据美国对民航客机所使用的射流管伺服阀跟踪调查，说明了射流管伺服阀的高可靠性。由于射流管伺服阀设计制造均有一定难度以及国外对中国的技术限制，目前国内能成批量研制生产射流管伺服阀的只有中船重工第七O四研究所。
关键词：射流管伺服阀、航天航空、抗污染、可靠性
3 M* u* k' c7 M; M. v中图分类号：TH137

+ Q* j, u( [1 s) Y
7 r0 J$ w( m; c1 j3 I# W0
  T- ^9 q' V3 Z8 O) Z% ^' U. V0 n前言*射流管伺服阀因其前置级为射流管式放大器而得名，它与一般双喷挡型伺服阀相比具有极强的抗污染性。射流管伺服阀的设计原则强调可靠性。其先导级最小开口处允许先导级可通过的污染颗粒尺寸几乎比挡板阀大一个数量级，一般情况下使用喷嘴挡板阀的油液清洁度要求达到NAS6级，并要在阀的进油口前设置过滤精度小于10µm的滤器。而在使用射流管阀的场合下，用NAS8级已经足够，且滤器用25µm也够了。另外其使用大直径的阀芯用以对阀芯产生大的驱动力，以增加抗污染能力；采用大行程使腐蚀减小到最小，同时提高零位特性。故由于其具有抗污染能力强、可靠性高的优点，国内外在航天、航空领域的应用较为广泛。
' M$ [- V! S% o1
射流管伺服阀原理射流管电液伺服阀是力反馈两级流量控制阀，其结构原理见图1。力矩马达采用永磁结构，弹簧管支承着衔铁射流管组件，并使马达与液压部分隔离，所以力矩马达是干式的。前置级为射流放大器，它由射流管与接受器组成。当马达线圈输入控制电流，在衔铁上生成的控制磁通与永磁磁通相互作用，于是衔铁上产生一个力矩，促使衔铁、弹簧管、喷嘴组件偏转一个正比于力矩的小角度。经过喷嘴高速射流的偏转，使得接受器一腔压力升高，另一腔压力降低，连接这两腔的阀芯两端形成压差，阀芯运动直到反馈组件产生的力矩与马达力矩相平衡，使喷嘴又回到两接受器的中间位置为止。这样阀芯的位移与控制电流的大小成正比，阀的输出流量就比例于控制电流了[1]。
4 n- c, j- G4 t

) J; A/ L' K- n% S" U
6 A4 e0 A7 E! `3 H" E  m  ]

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图1  CSDY型伺服阀结构原理图
3 f% `/ K: x( C( v3 l! [
# D; _  w* Z9 K) H2  射流管伺服阀特点
* J# O) l. I: y. i% Q2.1  抗污染性
( ?6 H1 a0 {5 V  U9 J' w
射流管伺服阀是靠射流喷嘴喷射工作液，将压力能变成动能，控制两个接受孔获得能量的比例来进行力的控制。这种方式的阀射流喷嘴大，由污粒等工作液中杂物引起的危害小，抗污染能力强。且射流管式液压放大器的压力效率及容积效率高，一般为７０％以上，有时也可达到９０％以上的高效率，输出控制力（滑阀驱动力）大，提高了抗污染能力。其次由于射流管式先导级比喷嘴挡板式的控制力大，所以射流管式伺服阀阀芯的直径和行程，比喷嘴挡板式的大而长，故其驱动力也越大，即使有一点杂物和污粒，滑阀级也能顺利工作，进一步提高了抗污染能力。
1 P3 w! G4 ?4 l4 e9 N
2.2  可靠性
. \% e% ^1 T3 M) K  E) P) G
6 y, w$ H. P, F  _" ?由于射流管是在喷嘴的下游进行力控制，当喷嘴被杂物完全堵死时，因两个接受孔均无能量输入，滑阀阀芯的两端面也没有油压的作用，反馈弹簧的弯曲变形力会使阀芯回到零位上，伺服阀可避免过大的流量输出，具有“失效对中”能力，并不会发生所谓的“满舵”现象。另外其先导级在工作时会产生磨蚀，但射流管式与喷嘴挡板式比较，其磨蚀的产生与性能变化的程度低于喷嘴挡板阀，其接受器的尖边即使经高压油长期冲刷凹陷下去，但仍有分水岭的作用，只要其与喷嘴的距离不大于喷嘴直径的3.5倍，对伺服阀性能的影响非常小。射流管式伺服阀的力矩马达零件全部采用压配及焊接结合成一体，并经严格的时效处理消除内应力，结构牢固稳定，零位漂移小，更能承受强冲击及振动。根据上述，说明其具有较高得稳定性、可靠性。高于双喷嘴挡板阀。[2]

2.3  使用寿命
( X" q  k2 p7 Z( }, [+ [+ x
0 S6 W9 }) Y4 W+ X5 L8 D. [- L% e射流管阀的使用寿命按一般标准规定为5000小时或107次，实际寿命统计数据较少。国外有1971年统计的波音公司对9000台ABEX410伺服阀7年时间追踪调查，其结果详见表1。
8 O6 F$ h, V+ q1 l" [2 n
! [$ q$ K. G; T% C7 R/ H1 k表1  410射流管伺服阀实际使用情况
' j0 l- m3 k) g( C1 P$ J! y9 X  S
使用期间
阀使用时间（小时）
% U( n. c9 Y2 Z4 f9 X; S& e- h: L2 T7 O* R2 y 总检测次数
( K4 h: k& c" j6 I+ I, p6 q2 z) j 阀的故障数

1965年
376，000
31
0

1966年
: s5 d* R0 {( p$ t5 r. g- S 663，000
  ~& J" R, q  N( p! w1 X 27
5

3 i* d. h6 r/ P( t% w" p2 j8 j) }1967年
$ v0 O7 Q; a4 ^7 t 1，155，000
20
3

* F0 H5 U. T; ?( g' H3 I1968年
1，641，312
( E8 @* Y: [- p( Q 60
21

1969年
# G6 K! ?" \3 ~8 B6 @ 2，297，908
7 `  r+ v- M1 U+ K0 m+ C/ Q0 s 48
17

$ ]8 Y( B; R' g  T7 l1970年
2，454，598
69
25
, A7 e9 Y# y& X+ m* L: X" q1 _3 ~) L
1971年
: x6 V$ p; A& o- Z* D' p* b3 ]; X 1，475，554
0 ~: |- h' ~5 m% p4 K 47
6 ^' Q8 x& V0 B3 B 13
$ _, f( x* J: V4 t
- n! v, s- u2 \% G0 f; J8 B共   计
9，687，372
271
84


/ d8 {1 h% {  T# @1 ]+ |注：84个故障中，83个因密封圈年久老化漏油所致，而阀性能良好。

6 }& [3 K# y- p3 M4 b根据此表射流管伺服阀的平均检测时间为35，700小时，平均故障间隔时间为115，000小时。而在工业使用场合，像飞机上那样准确记录的不多，不过也有在汽轮机调速器上使用的射流管伺服阀，在8年间无故障运行时间约63，000小时，并有在继续使用的例子[3]。

+ j; ^4 Z! a9 J9 p3 L# ~3  射流管伺服阀在国外应用
射流管伺服阀是美国五十年代末研制的军用产品，目前除美国的军用飞机和民航客机普遍使用射流管伺服阀外，欧洲及俄罗斯等世界各国的军用飞机和民航客机都在大量使用射流管电液伺服阀。原因是该产品具有零位稳定（在高强度冲击、振动、颠震环境条件下），抗污染能力强，不跑舵，安全可靠，寿命长的独特优点。由于该阀能使用在军用场合，国外对国内实行技术封锁，了解的资料较少，现将我们了解的一些情况作一介绍。美国主要生产射流管伺服阀的厂家为ABEX航空公司（现已被PARKER公司兼并），其主要型号为405、410、415、420、425、450等，被大量使用在各种飞机上。到1971年8月，世界上的上百家民航公司采用了9000个以上的ABEX410伺服阀，其主要使用对象详见表2[3] 。
5 v) C8 ^, z' n1 U! |
8 \/ y* Y5 i1 D! x$ k表2  410射流管伺服阀主要应用场合
. k) i: c8 ^/ P
使用对象
# a( a) h0 b' x+ ~5 _% G 用途及使用场合
6 L9 J$ i5 P! O" G
Boeing 737
" _; Y2 E# d2 n5 {# n 舵、升降舵、副翼

6 n- {  X8 N- j1 eoeing 747
舵、升降舵、中心侧向控制

& P! w  x6 e2 s% B8 Q/ u# m3 ^Mc Donnel-Douglas DC-8
9 x8 C7 }) L( h 舵
" p3 j5 E$ |2 n
Mc Donnel-Douglas DC-8
+ K3 B+ U( n+ E; g4 j4 _ 舵、升降舵、副翼、直接起飞控制
1 O8 a8 \) X1 `& j1 q
Lockhead L-1011
舵、升降舵、副翼、直接起飞控制


8 E. }3 c, A! N: w2 U7 Y" W8 U( sABEX公司并入PARKER公司后，其射流管伺服阀型号改为PARKER 400系列，目前主要应用场合详见表3。
$ F8 N9 E' }$ l- p
表3  PARK射流管伺服阀主要应用场合
% q: Q, U. y7 U3 f$ P% k
使用对象
用途及使用场合
; D6 E: k: j- b* c3 D8 J& R
$ D6 s* M' {9 U  U# b空客A380
: ?* d6 d2 z0 L, v2 ^/ N 主飞行控制执行器
# J- m8 c' d" o7 g
: E; C) S$ r, n8 S9 ?4 s$ }波音 737、747、777客机
次飞行控制执行器

. S4 d! `4 ~" ?' S2 ^3 y8 w# S' G波音 C－17 运输机
) ]* n8 ?5 m6 q) n7 P6 p. G* ] 主传动和鼻轮操纵系统
& z6 P- [" M! P, N0 ~- y$ k6 |
3 m1 @$ R" U( S( t& w* K; HG5000 商用客机
# c( p4 E. G  Y2 Z 自动刹车模块

% ^( h% E& I8 Z9 nX-47 无人机
- p6 B$ x. R; O3 K( s( g0 q8 F 自动刹车模块
3 H  {4 k- W1 _/ M2 [3 x: t
霍克4000商务机
" r  d, c& I7 F( W1 d 民用场合


世界上最大的伺服阀生产商美国MOOG公司亦有自己的射流管伺服阀产品，其主要型号为：208A、211A、214、215A、218、225A、225B、231、240、242、261等，由于该产品属军品，并未对国内推广，对产品使用场合了解不多。
2 j& y0 e% e* b3 Z" C+ v  p
6 b% l+ [& X. C) e在欧洲目前生产射流管伺服阀的公司为IN-LHC公司，生产射流管伺服阀的规格型号特别多，广范运用于航空、航天及工业场合。其用于航空场合的情况详见表4[4]。
* T2 G% Q' a" S4 a- w4 ^; O: M" F
, V  z, U! s$ _) f- \7 ?表4  IN－LHC射流管伺服阀主要应用场合
0 X$ k$ g% e/ V4 [$ q
1 v- J# H: v# e6 l使用对象
用途及使用场合
1 _- e! {# ~" z+ H8 y: @
1 I4 B- Z  Q3 j* z" l1 h阵风战斗机
" x; V9 [' d6 q& V' r! O M88涡扇发动机
1 P" Y7 Q2 B. D$ v1 z: z* {
庞巴迪 CRJ－200客机
/ w& Y$ O$ v- s! `  g& _ 飞控系统
! u% Q# a6 j6 X- t
阿帕奇直升机
辅助动力单元
/ T3 G' p. R* y( T
SH-60H、EH101、卡-62R等直升机
5 ]+ d# d" F  S  u7 G, R RTM322发动机燃油控制
  n& i% l' I8 l$ G' B# g  {5 S
CRJ-700、Dash-8、BD-100等客机
8 D& ~  ]+ o' Q" f4 X3 I  W6 B 飞行控制系统
9 J4 S( g' c* m! k9 s! D8 y6 M: |
5 T  I- a4 d4 d) Y3 `( c- E( XCRJ-200 、CRJ-700客机
. s( T9 c! l+ a7 u7 ] 前轮操纵系统

: F7 b0 c: M* r1 L8 J1 r& m  i- D2 [2 [EC225、EC725直升机
" R2 m7 E$ o+ F6 y( W 流量、压力调节
# k) o, ]+ i- Q" a% C* K

, Y0 g3 u  y: n此外俄罗斯亦有自己的射流管伺服阀，应用于飞机及大型火箭上[5]。

4  射流管伺服阀在国内应用
/ f. W; a* |7 y由于射流管伺服阀设计制造均有一定难度以及国外对中国射流管技术的限制，目前国内成批量生产、研制伺服阀的只有七〇四研究所。我所生产的CSDY系列射流管流量伺服阀已研制了三十多年，其生产工艺、性能指标都已达到或接近国外同类产品。目前已广泛用于舰船及其它工业场合。目前已开始在航空、航天等各种场合应用，如航空领域的襟翼控制系统、发动机的燃油系统、前轮转向作动筒的运动方向和速度等场合。

我所新研制的射流管压力伺服阀已初见成效，其前置级采用射流放大器，主要应用于飞机电子防滑刹车系统，用于输出与控制信号成比例的刹车压力。之前国内的压力伺服阀无一例外均采用喷嘴挡板式结构，然而这存在一个致命缺点，即抗污染能力差，这是系统中的一大隐患。射流管压力阀的成功研制，弥补了喷嘴挡板压力伺服阀在压力控制方面的缺陷，提高了系统的可靠性和稳定性。

5  结论
综上分析，射流管伺服阀在抗污染能力等可靠性特性方面均高于喷嘴挡板阀。射流管伺服阀的工作稳定性和耐久性是相当高的，目前我所生产的伺服阀已在航空、航天领域场合进行了应用。相信随着射流管伺服阀的应用越来越广泛，在航空航天及各类工业控制场合都会有广阔的应用前景。
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3 O5 n: g0 Z) n' {  f0 a- `
" S+ U/ ]: m! c3 O6 D# ]5 {( `2 ~参  考  文  献

[1]  雷天觉 主编.新编液压工程手册（上）[M].北京理工大学出版社，1998．

[2]  黄增 等.射流管式电液伺服阀与喷嘴挡板式电液伺服阀比较[J].流体传动与控制，2007（4）：43～45．
3 _# {) n( g( I- I- i( f
[3]  岛井 建.射流管式电液伺服阀的构造和性能[J]．
/ h0 Q/ m+ ]: S% M" Q* ^. `
[4]  IN-LHC Servo-valves Technical characteristics．
0 Z- L  G% ~' R2 Y3 E0 Y
/ d: N4 u- F$ I[5]  何友文 等.俄罗斯伺服技术的发展[J]．


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APPLICATION OF JET PIPE SERVOVALVE IN AEROSPACE
5 f9 \) r5 I6 y
& Z6 d6 }2 g  O7 D! A+ f  r1 e8 K
  Zhang MinYing  Fang Qun  Jin YaoLan  
Qu LiPeng  Wang YaHong  
(The No.704 Research Institute of        China Shipbuilding Industry Corporation, ShangHai 200070 )


Abstract：Jet pipe servovalve uses prepositive jet amplifier, its anti-contamination capability is better than nozzle flapper servovalve. In the paper, the traits of jet pipe servovalve and its application about the use of Jet pipe servovalve in civil aviation made by America proves its high reliability. Owing to the difficulties in design and making and external technical limit, only No.704 Research Institute can produce the Jet pipe servovalve in batches at hone.

$ g2 U4 V5 z; t) ?Key words：Jet pipe servovalve,  Aerospace,  Contamination resistance,  Reliability  

作者简介：章敏莹，女，1973年出生，工程师，主要研究方向为电液伺服阀及伺服控制系统。

E-mail：clife_tang@hotmail.com.cn