电液伺服阀专利技术综述

蒋中立

专利审查协作江苏中心，江苏苏州 215000

0 引言

上世纪四十年代，西方国家进入了工业迅猛发展的时期，液压传动系统和电气传动系统开始得到广泛的关注与应用。人们通过实践发现：液压传动的执行机构，其运动惯量远小于电气传动的电机，因此对于大功率、大惯量的传动系统，采用液压传动相较于传统的电气传动具有突出的优势。然而电气传动本身也具有其特殊的优势，例如信号传递迅速、易于实现反馈以及远程控制方便等。若是能将上述两类传动系统的优点结合起来，构造一个机、电、液一体化的伺服控制系统，对于工业自动化水平的提升将会带来质的影响。正是在这样的工业化需求下，电液伺服阀，一种能够直接将电信号转换成液压信号并能实现功率放大的特殊元件应运而生。

1 电液伺服阀技术概述

1.1 电液伺服阀的基本概念

电液伺服阀是电液伺服控制系统中的核心元件，它在系统中起着电液转换和功率放大的作用。具体地说，系统工作时，电液伺服阀接收来自系统的电信号，并把上述电信号转换成具有一定比例的、能够控制电液伺服阀的负载流量或压力的信号，并通过功率放大机构使系统输出较大的功率，以此来驱动某些执行机构。

1.2 电液伺服阀的组成及分类

电液伺服阀一般由以下几个部分组成：电－机转换部分、机－液转换和功率放大部分、反馈部分及电气控制部分。除了电反馈伺服阀以外，电液伺服阀大多仅由前三部分组成。[1]

电液伺服阀一般按使用功能可分为电液流量伺服阀、电液压力伺服阀以及电液压力流量伺服阀；按结构又可分为单级伺服阀、两级伺服阀和三级伺服阀；按前置级的工作原理，电液伺服阀通常分为动圈式和永磁式两种，其中，永磁式电液伺服阀还可进一步分为喷嘴挡板式电液伺服阀和射流管式电液伺服阀两大类；并且，国外在上世纪九十年代初开发了直接驱动式（简称直驱式）电液伺服阀，作为喷嘴挡板式电液伺服阀的补充和发展。

2 专利申请趋势分析

2.1 建立专利申请文献数据库

1）数据源

中国专利文献摘要数据库（CNABS）、德温特世界专利数据库（DWPI）以及世界专利文摘数据库（SIPOABS）；检索对象限定为公开/公告日于1950-2014 年之间的发明和实用新型专利申请（文中所有数据统计截止至2014 年6 月13 日）。

2）关键词

电液，伺服阀；electro w hydraulic，servo+，valve+

3）IPC[IPC8]分类号

F15B13/043，F15B13/02

2.2 中国专利性分析

2.2.1 中国申请量年度分布趋势

图1 中国申请量年度分布趋势

如图1 所示，国内电液伺服阀相关的专利申请量总体呈逐年上升趋势，且可划分为以下三个阶段：1）技术起步期（1986-2002），专利申请量较少且无明显增长趋势，说明此时国内电液伺服阀技术刚刚兴起，尚处于起步阶段，市场需求不大；2）初步发展期（2002-2005），专利申请量较上一阶段出现第一次明显增长，标志着电液伺服阀技术进入发展阶段；3）迅猛发展期（2005-2012），专利申请量在总体上呈现大幅上升趋势，先后出现了3 个峰点（2008、2009、2012），说明国内电液伺服阀技术得到了快速且有利的发展，这与市场需求是密不可分的。从数据获取的准确性来说，2012 年后，由于专利从申请到公开/公告需要一定的审查周期，许多专利仍处于未公布状态，因此上述数据并不能准确代表2013-2014 年实际的专利申请量。

2.2.2 国内主要申请人

图2 国内主要申请人

如图2 所示，在电液伺服阀领域，目前国内主要申请人以大公司和高校/研究院所为主，个人申请相对较少。实际上，由于相较于以欧美为代表的西方国家，电液伺服阀技术在国内起步属于较晚，因而研发主力主要集中于大公司和高校/研究院所。其中，湖北航奥伺服科技有限公司、上海诺玛液压系统有限公司、中国船舶重工集团公司第七零四研究所、吉林大学和南京航空航天大学分列申请量前五位。

2.3 申请分类比重统计

从申请的分类比重来看，动圈式电液伺服阀技术的专利申请量仅占总数的9%，相对最少，这可能是由于其相较于永磁式电液伺服 阀技术，在性能方面存在某些不足，因而导致发展停滞。作为永磁式电液伺服阀技术中的重要分支，喷嘴挡板式电液伺服阀技术的专利申请量较大（占总数的66%），占据了历年专利申请的主导地位，其整体走势直接影响到总申请量走势，因此，喷嘴挡板式电液伺服阀技术以及基于其发展的直动式电液伺服阀技术是电液伺服阀领域的主导技术。作为永磁式电液伺服阀技术中的另一分支，射流管式电液伺服阀技术的专利申请量（占总数的25%）介于动圈式电液伺服阀技术和喷嘴挡板式电液伺服阀技术之间。

3 电液伺服阀专利技术发展路线

二战前夕，随着工业发展的需要，液压控制技术得到了第一次快速发展，许多早期的控制阀产品及专利均是这一时代的产物，例如Askania 调节器公司发明并申请了射流管阀产品的专利，Foxboro 则发明并申请了喷嘴挡板阀产品的专利。二战末期，随着控制理论的成熟以及军事应用的刺激，伺服阀的研制和发展取得了重大的成就。1946 年，Raytheon 和Bell 航空公司发明了带反馈的两级阀；1950 年，W.C.Moog 发明了单喷嘴两级电液伺服阀；1953-1955 年，T.H.Carson 发明了机械反馈式两级电液伺服阀；W.C.Moog 在单喷嘴两级电液伺服阀的基础上又研发了双喷嘴两级电液伺服阀；1957 年，Atchley 利用Askania 公司的射流管原理研制出了两级射流管电液伺服阀，并于1959 年成功研制出三级电反馈伺服阀；1963 年，Moog 公司推出了首款专为工业场合使用的73 系列伺服阀产品；1974 年，Moog 公司推出了低成本、大流量的三级电反馈伺服阀。当时的电液伺服阀主要用于军事领域，随着太空时代的到来，电液伺服阀又被广泛用于航天领域，并研制出高可靠性的多余度伺服阀等尖端产品。

以下选取电液伺服阀技术的重要分支——喷嘴挡板式（包含其基础上发展的直动式）电液伺服阀，按时间顺序详细阐述其技术发展：

1951 年，Foxboro 公司发明并申请了最早的喷嘴挡板阀专利（专利文献公开号US2612185A，下同）；1954 年，Moog公司对传统的喷嘴挡板阀进行改进，提出了双喷嘴两级电液伺服阀的结构（US2931343A）；1956 年，Moog 公司在双喷嘴两级电液伺服阀中首次引入滑阀机构，以增强高频响应特性（GB845109A）；1963 年，电液伺服阀开始被研制应用于工业场合（GB957725A）；1971 年，Moog 公司对工业用两级电液伺服阀进行改进，使第二级对第一级反馈形成闭环控制（US3752189A）；1975 年，Dopt 公司创造性的将电液伺服阀的前置级从阀体中独立出来，以提高高压条件下的使用可靠性（GB1389514A）；1980 年，Moog 公司在双喷嘴两级电液伺服阀的基础上，研发了闭环控制的直动式两级电液伺服阀，其具有优秀的抗污染能力以及响应特性（US4338965A）；1985年，Dowty Hydraulic 公司开发出永磁式力矩马达作为电液伺服阀的电-机转换部件，驱动力以及稳定性均得到大大增强（GB2124799A）；2002 年，Jansen 公司提出采用额外的线圈控制电液伺服阀阀芯的运动，以提高响应特性，降低阀芯泄漏的风险（US6786236A）；2007 年，北京工业大学引入超磁致伸缩材料，利用驱动器的自传感功能，实现对驱动阀芯的精确定位（CN101196200A）。

4 结论

电液伺服阀是一种接收电信号后，输出相应的调制流量和压力的液压控制阀，其同时具有功率放大机构，能够将微弱的电信号转换成大功率的液压信号（流量和压力），具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点。一直以来，伴随着工业自动化水平的不断提升和电液伺服系统应用领域的日益拓宽，人们对于电液伺服阀的性能也不断提出更高的技术要求。因此，可以毫不夸张的说，电液伺服阀的发展历史，本身也是一部力图获得更快速度、更高精度以及更优稳定性的技术创新史。

[1]田源道.电液伺服阀技术.航空工业出版社，2008.

[2]方群，黄增.电液伺服阀的发展历史、研究现状及发展趋势.机床与液压，2007.

[3]康双琦，江林秋.电液伺服阀的发展历史及研究现状分析.资治文摘，2009.

[4]朱玉川，李跃松.超磁致伸缩执行器驱动的新型射流伺服阀.压电与声光，2010.