射流管伺服閥在航空航天領域的應用

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射流管伺服閥在航空航天領域的應用

章敏瑩,方群,金瑤蘭,渠立鵬,王亞鴻

(中船重工集團七〇四研究所伺服閥產業部  上海
9 k  j) c/ o0 H! k200070)
; h8 n  T3 S9 S4 E& n

1 h* H9 ?8 s; J3 R9 b9 u3 c摘要：射流管伺服閥因其前置級為射流管式放大器而得名，它與一般雙噴擋型伺服閥相比具有極強的抗污染性。本文介紹了射流管式伺服閥的特點，以及美國、歐洲及俄羅斯等發達國家在航空航天領域大量使用射流管伺服閥的情況。同時根據美國對民航客機所使用的射流管伺服閥跟蹤調查，說明了射流管伺服閥的高可靠性。由于射流管伺服閥設計制造均有一定難度以及國外對中國的技術限制，目前國內能成批量研制生產射流管伺服閥的只有中船重工第七O四研究所。
6 G2 A0 z' s$ r# M% O關鍵詞：射流管伺服閥、航天航空、抗污染、可靠性
中圖分類號：TH137


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1 _( z7 W) z) @  ?" S2 x- I前言*射流管伺服閥因其前置級為射流管式放大器而得名，它與一般雙噴擋型伺服閥相比具有極強的抗污染性。射流管伺服閥的設計原則強調可靠性。其先導級最小開口處允許先導級可通過的污染顆粒尺寸幾乎比擋板閥大一個數量級，一般情況下使用噴嘴擋板閥的油液清潔度要求達到NAS6級，并要在閥的進油口前設置過濾精度小于10µm的濾器。而在使用射流管閥的場合下，用NAS8級已經足夠，且濾器用25µm也夠了。另外其使用大直徑的閥芯用以對閥芯產生大的驅動力，以增加抗污染能力；采用大行程使腐蝕減小到最小，同時提高零位特性。故由于其具有抗污染能力強、可靠性高的優點，國內外在航天、航空領域的應用較為廣泛。
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射流管伺服閥原理射流管電液伺服閥是力反饋兩級流量控制閥，其結構原理見圖1。力矩馬達采用永磁結構，彈簧管支承著銜鐵射流管組件，并使馬達與液壓部分隔離，所以力矩馬達是干式的。前置級為射流放大器，它由射流管與接受器組成。當馬達線圈輸入控制電流，在銜鐵上生成的控制磁通與永磁磁通相互作用，于是銜鐵上產生一個力矩，促使銜鐵、彈簧管、噴嘴組件偏轉一個正比于力矩的小角度。經過噴嘴高速射流的偏轉，使得接受器一腔壓力升高，另一腔壓力降低，連接這兩腔的閥芯兩端形成壓差，閥芯運動直到反饋組件產生的力矩與馬達力矩相平衡，使噴嘴又回到兩接受器的中間位置為止。這樣閥芯的位移與控制電流的大小成正比，閥的輸出流量就比例于控制電流了[1]。
: A7 w' A5 n. V# p0 y; ~6 s

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圖1  CSDY型伺服閥結構原理圖

2  射流管伺服閥特點
2.1  抗污染性

4 p- _1 G1 F2 [2 C( ~9 ]  s射流管伺服閥是靠射流噴嘴噴射工作液，將壓力能變成動能，控制兩個接受孔獲得能量的比例來進行力的控制。這種方式的閥射流噴嘴大，由污粒等工作液中雜物引起的危害小，抗污染能力強。且射流管式液壓放大器的壓力效率及容積效率高，一般為７０％以上，有時也可達到９０％以上的高效率，輸出控制力（滑閥驅動力）大，提高了抗污染能力。其次由于射流管式先導級比噴嘴擋板式的控制力大，所以射流管式伺服閥閥芯的直徑和行程，比噴嘴擋板式的大而長，故其驅動力也越大，即使有一點雜物和污粒，滑閥級也能順利工作，進一步提高了抗污染能力。
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2.2  可靠性

由于射流管是在噴嘴的下游進行力控制，當噴嘴被雜物完全堵死時，因兩個接受孔均無能量輸入，滑閥閥芯的兩端面也沒有油壓的作用，反饋彈簧的彎曲變形力會使閥芯回到零位上，伺服閥可避免過大的流量輸出，具有“失效對中”能力，并不會發生所謂的“滿舵”現象。另外其先導級在工作時會產生磨蝕，但射流管式與噴嘴擋板式比較，其磨蝕的產生與性能變化的程度低于噴嘴擋板閥，其接受器的尖邊即使經高壓油長期沖刷凹陷下去，但仍有分水嶺的作用，只要其與噴嘴的距離不大于噴嘴直徑的3.5倍，對伺服閥性能的影響非常小。射流管式伺服閥的力矩馬達零件全部采用壓配及焊接結合成一體，并經嚴格的時效處理消除內應力，結構牢固穩定，零位漂移小，更能承受強沖擊及振動。根據上述，說明其具有較高得穩定性、可靠性。高于雙噴嘴擋板閥。[2]
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2.3  使用壽命
8 Y6 S( o% H' K6 o. g* G8 ?
射流管閥的使用壽命按一般標準規定為5000小時或107次，實際壽命統計數據較少。國外有1971年統計的波音公司對9000臺ABEX410伺服閥7年時間追蹤調查，其結果詳見表1。
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5 k, T* l4 N4 B& D1 q  \2 L" A' a表1  410射流管伺服閥實際使用情況
" S2 |1 w2 T; |; C
( d1 M( O2 w* w' p+ s- y' c4 S( x使用期間
閥使用時間（小時）
7 Q- T& W2 n" M9 o2 j/ h 總檢測次數
, o1 ~) f; m8 G/ Q  ?  R" `7 K; B0 i 閥的故障數

1965年
376，000
31
0
8 z2 c" ^3 u& R/ l; N
1966年
$ s* I8 m- V0 l( d; }: S 663，000
27
) w' O! f% ~0 @2 x% c  ~ 5
7 s; C6 F* ?$ A% P0 \7 p3 E
1967年
( D) ^" ^* y; C1 c2 e! Q  E0 ? 1，155，000
- G: Y; m0 P8 i9 j$ g$ L 20
; q2 l& q- w0 y2 q! s0 D 3
, i, l1 Y4 w- i+ v; h$ y
' {6 u5 }% p9 U. ^; k1968年
1，641，312
60
* v3 S& S/ R$ @/ e7 i+ F( D 21

! m6 g5 t" [9 k) H+ e1969年
% Z+ [" x6 @6 I0 e- C* D 2，297，908
0 A* K1 J- o" { 48
  a% }! t- |2 p/ O7 m 17
' I3 p5 ^, S8 g, o9 A$ N
# A  f; W. q$ \9 `& S9 Z7 X1970年
2 H, w* c/ k1 H8 u 2，454，598
69
25

$ `/ C9 P( q7 T6 J; O" B# I- b5 O1971年
1，475，554
47
7 ^/ x# n" W7 }- ` 13
- n1 @# V2 T( l
/ ~* f  V7 |: ~! y共   計
9，687，372
271
84
- D6 b0 f1 X( J+ T, R
, u% f7 I* w- N  S& l- U
. \0 }- A' O- ~- D注：84個故障中，83個因密封圈年久老化漏油所致，而閥性能良好。
- f: W( L5 E, i0 G0 l
根據此表射流管伺服閥的平均檢測時間為35，700小時，平均故障間隔時間為115，000小時。而在工業使用場合，像飛機上那樣準確記錄的不多，不過也有在汽輪機調速器上使用的射流管伺服閥，在8年間無故障運行時間約63，000小時，并有在繼續使用的例子[3]。

3  射流管伺服閥在國外應用
射流管伺服閥是美國五十年代末研制的軍用產品，目前除美國的軍用飛機和民航客機普遍使用射流管伺服閥外，歐洲及俄羅斯等世界各國的軍用飛機和民航客機都在大量使用射流管電液伺服閥。原因是該產品具有零位穩定（在高強度沖擊、振動、顛震環境條件下），抗污染能力強，不跑舵，安全可靠，壽命長的獨特優點。由于該閥能使用在軍用場合，國外對國內實行技術封鎖，了解的資料較少，現將我們了解的一些情況作一介紹。美國主要生產射流管伺服閥的廠家為ABEX航空公司（現已被PARKER公司兼并），其主要型號為405、410、415、420、425、450等，被大量使用在各種飛機上。到1971年8月，世界上的上百家民航公司采用了9000個以上的ABEX410伺服閥，其主要使用對象詳見表2[3] 。

表2  410射流管伺服閥主要應用場合
, T# K$ A9 o! p5 V
4 I7 t& c+ a# N6 Z8 X! R使用對象
用途及使用場合
/ q& O1 B9 I8 y, D5 m: P, v6 F; v* \
# v# b" F/ J( V- s4 Q0 M* YBoeing 737
舵、升降舵、副翼

oeing 747
舵、升降舵、中心側向控制

Mc Donnel-Douglas DC-8
舵
0 l0 m% X( |' R0 ?0 P% p8 ~
Mc Donnel-Douglas DC-8
1 V( I8 R  N+ l' I+ I* v 舵、升降舵、副翼、直接起飛控制

Lockhead L-1011
舵、升降舵、副翼、直接起飛控制
8 Z9 {  \; B% ^6 O$ i9 i

ABEX公司并入PARKER公司后，其射流管伺服閥型號改為PARKER 400系列，目前主要應用場合詳見表3。
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表3  PARK射流管伺服閥主要應用場合
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* q* {& h& v1 y2 L0 a3 m6 m使用對象
用途及使用場合

: U6 C7 s3 @1 s空客A380
0 T! t8 H, c3 j 主飛行控制執行器

波音 737、747、777客機
次飛行控制執行器

波音 C－17 運輸機
% j5 W1 L" n7 f5 @. P; @6 J+ N9 { 主傳動和鼻輪操縱系統
, V8 S. f) a: k
9 E5 h" j, Q8 ?; |/ [" AG5000 商用客機
3 b4 }- B2 ?; T0 j3 w7 s# { 自動剎車模塊
; Z: m; _4 [( u* K
X-47 無人機
自動剎車模塊
$ F6 [" e  L$ b2 c) t0 y( _& E3 U( }
霍克4000商務機
民用場合
. q4 W5 A" B3 w1 }# o
: V# x" a! i+ y. k( A  G8 c0 {: `
8 D4 A! ]6 s, _2 p世界上最大的伺服閥生產商美國MOOG公司亦有自己的射流管伺服閥產品，其主要型號為：208A、211A、214、215A、218、225A、225B、231、240、242、261等，由于該產品屬軍品，并未對國內推廣，對產品使用場合了解不多。
5 n9 S- R- z& S" f
/ h- F0 I/ h6 A, W  Y3 T$ t0 M7 G在歐洲目前生產射流管伺服閥的公司為IN-LHC公司，生產射流管伺服閥的規格型號特別多，廣范運用于航空、航天及工業場合。其用于航空場合的情況詳見表4[4]。

9 ]$ A% U/ V5 I( v" o6 Q表4  IN－LHC射流管伺服閥主要應用場合
# N1 @4 d: E# }  o
5 o% M4 s* F3 o" Q使用對象
用途及使用場合
9 B  ?5 B& ]$ Y7 g" n3 _
* U9 H: _' n. P* O陣風戰斗機
4 U1 h& ^' q3 B+ g M88渦扇發動機

. j. L2 P( H. u  |龐巴迪 CRJ－200客機
飛控系統
% e' N% _# m% F% k
3 @8 ^9 b; U8 W7 Q% ~- [阿帕奇直升機
輔助動力單元

# R$ ^9 Y8 N; w8 ]4 |* e$ H: ^9 f; Y/ tSH-60H、EH101、卡-62R等直升機
RTM322發動機燃油控制

; J6 V, Q0 t( o5 NCRJ-700、Dash-8、BD-100等客機
& m. h, q$ F) O$ k2 B 飛行控制系統

, l1 G0 z( ?# e: M. _5 ACRJ-200 、CRJ-700客機
5 v  G) s( G! \/ G 前輪操縱系統

/ ^- ~+ ~8 X+ b  C; lEC225、EC725直升機
2 |. ^3 f, _1 s$ i 流量、壓力調節


此外俄羅斯亦有自己的射流管伺服閥，應用于飛機及大型火箭上[5]。
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4  射流管伺服閥在國內應用
由于射流管伺服閥設計制造均有一定難度以及國外對中國射流管技術的限制，目前國內成批量生產、研制伺服閥的只有七〇四研究所。我所生產的CSDY系列射流管流量伺服閥已研制了三十多年，其生產工藝、性能指標都已達到或接近國外同類產品。目前已廣泛用于艦船及其它工業場合。目前已開始在航空、航天等各種場合應用，如航空領域的襟翼控制系統、發動機的燃油系統、前輪轉向作動筒的運動方向和速度等場合。

) K# j3 Y! m% M& }) z7 z) w8 y我所新研制的射流管壓力伺服閥已初見成效，其前置級采用射流放大器，主要應用于飛機電子防滑剎車系統，用于輸出與控制信號成比例的剎車壓力。之前國內的壓力伺服閥無一例外均采用噴嘴擋板式結構，然而這存在一個致命缺點，即抗污染能力差，這是系統中的一大隱患。射流管壓力閥的成功研制，彌補了噴嘴擋板壓力伺服閥在壓力控制方面的缺陷，提高了系統的可靠性和穩定性。
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3 v0 ^  W8 R' c2 y& `* y3 L. l5  結論
綜上分析，射流管伺服閥在抗污染能力等可靠性特性方面均高于噴嘴擋板閥。射流管伺服閥的工作穩定性和耐久性是相當高的，目前我所生產的伺服閥已在航空、航天領域場合進行了應用。相信隨著射流管伺服閥的應用越來越廣泛，在航空航天及各類工業控制場合都會有廣闊的應用前景。

: W$ A4 C9 M. t! l1 T3 A& D

  I, I; w: B+ n  N
& g/ V, C, a+ A$ W: Y4 z4 }
& M, a. d, I5 n6 [# M0 v) }參  考  文  獻

[1]  雷天覺 主編.新編液壓工程手冊（上）[M].北京理工大學出版社，1998．

8 @% x  t' R3 v& A, K" p* v[2]  黃增 等.射流管式電液伺服閥與噴嘴擋板式電液伺服閥比較[J].流體傳動與控制，2007（4）：43～45．

6 X" @" x. i* c0 _6 k- Q[3]  島井 建.射流管式電液伺服閥的構造和性能[J]．

) p9 \) M& J  R( W8 W4 P+ J8 ?[4]  IN-LHC Servo-valves Technical characteristics．

[5]  何友文 等.俄羅斯伺服技術的發展[J]．

0 T; T0 B+ J1 Z2 O) t% l  I7 W3 N

2 o' l. {3 E3 ]: A4 ]  K; AAPPLICATION OF JET PIPE SERVOVALVE IN AEROSPACE
, A5 |1 L& S* v6 y
- c4 [7 c/ }5 z  I+ |, S4 V
  Zhang MinYing  Fang Qun  Jin YaoLan  
8 b! ~, I# j. Q2 _6 b5 a: \Qu LiPeng  Wang YaHong  
(The No.704 Research Institute of        China Shipbuilding Industry Corporation, ShangHai 200070 )

  T& N; o; V* }) I! P# D
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.

Key words：Jet pipe servovalve,  Aerospace,  Contamination resistance,  Reliability  

- u. B  q, d. f# \, Y4 A' `作者簡介：章敏瑩，女，1973年出生，工程師，主要研究方向為電液伺服閥及伺服控制系統。
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4 M; k/ H/ b+ J; R: \, Q: o0 kE-mail：clife_tang@hotmail.com.cn