電液伺服閥污染磨損加速退化試驗設計

王曉紅，李秋茜，閆玉潔

(北京航空航天大學可靠性與系統工程學院，北京 100191)

電液伺服閥是電液伺服控制系統的關鍵元件，因其具有動態響應快、控制精度高、使用壽命長等優點，被廣泛應用于航空、航天、船舶等領域［1］。

據統計，液壓設備的故障有70%～80%是由于油液污染引起的［2］。電液伺服閥因其精密度高，對油液污染頗為敏感。油液污染導致的磨損，會影響其控制精度。磨損嚴重的會危及整個設備系統的安全運行。因此，了解油液污染程度對電液伺服閥的磨損與性能的影響程度，對于其壽命預測，保證液壓系統安全、可靠運行具有重要意義。以下擬通過加速試驗方法定量研究污染磨損對伺服閥壽命的影響。

1 電液伺服閥磨損機制分析及退化性能指標選取

電液伺服閥根據前置級結構的不同通常分為噴嘴擋板式和射流管式兩種。由于射流管式電液伺服閥前置級抗污染能力強，雙噴嘴擋板式電液伺服閥的前置級噴嘴前裝有油濾，因此油液中的污染物對兩種閥前置級的磨損均不明顯。而對于滑閥級，兩種閥在滑閥級的磨損機制相同。又由于射流管閥價格昂貴，且本試驗屬于耗損性試驗，因此選用雙噴嘴擋板式電液伺服閥進行加速退化試驗。

電液伺服閥長時間工作在高壓油液中，受到高壓油液中的污染顆粒的不斷沖擊，對閥芯的工作棱邊產生沖蝕磨損［5］;閥芯、閥套的徑向間隙會受到尺寸與徑向間隙尺寸相近的顆粒物的摩擦磨損［6］。棱邊磨損與徑向間隙磨損，均會導致內漏量增加與壓力增益的降低。且油液的污染磨損這兩個性能指標影響較明顯。因此，文中選擇內泄漏量與壓力增益作為電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的性能退化參數。

2 電液伺服閥加速退化試驗

2.1 壽命評估模型

針對液壓元件污染磨損壽命研究的理論中，美國俄克拉哈馬州立大學流體傳動研究中心的E C FITCH［7］及其團隊推出的Omega壽命理論較為成熟，應用也最為廣泛。該模型描述如下:

式中:Q(t)為內泄漏量;

Si為元件對某一顆粒尺寸區間i的污染敏感度系數 (如在0～5，5～10 μm間);

ni(t)為污染顆粒的濃度;

t為時間。

其中電液伺服閥在工作過程中，污染顆粒濃度逐漸降低，最終的試驗結果表明對元件產生磨損的污染顆粒濃度ni隨時間成指數關系變化:

式中:n0，i為尺寸區間i的顆粒污染物的初始濃度;n0，i=Ni－Ni+1(N1代表尺寸區間為 0 ～5 μm 的顆粒濃度，N2代表尺寸區間為0～10 μm的顆粒濃度……);ni(t)為t時間段后的污染濃度;τ為顆粒磨損時間常數，一般取9 min。

將公式 (2)代入公式 (1)可得:

由上式可推導出污染敏感度系數Si為:

式中:Qf，i為電液伺服閥最終內泄漏量;Q0，i為電液伺服閥初始內泄漏量。

在元件污染敏感度試驗中，0～10 μm的微粒所引起的流量衰減是0～5 μm和5～10 μm的顆粒所引起的流量衰減結果之和。

在上述方程的基礎上，不同尺寸區間的Si可以通過S1推導出來。S1代表最低尺寸區間的污染敏感度系數，通常為0～5 μm。

對下一尺寸區間或者更高尺寸區間，

如果微粒磨損時間常數、微粒濃度、內泄漏量退化率已知，則可以求出Si。

當電液伺服閥的內泄漏量從初始值降到最大允許值這段時間即電液伺服閥的磨損壽命，考慮到各個尺寸區間的污染顆粒對電液伺服閥的磨損作用，可求得在現場實際條件下，電液伺服閥的污染磨損壽命計算公式:

2.2 試驗方案初步設計

通過以上對電液伺服閥污染磨損機制分析，并結合加速退化試驗的一般流程，給出了如圖1所示的電液伺服閥污染磨損加速退化試驗流程。

圖1 電液伺服閥污染磨損加速退化試驗流程圖

(1)敏感應力的確定

通過對電液伺服閥污染磨損機制的分析，得知污染顆粒的尺寸與濃度為伺服閥磨損的主要影響因素，再結合Omega壽命理論模型，可以確定工作油液中不同尺寸區間污染顆粒的濃度，為電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的敏感應力。考慮到試驗的可行性與GJB 420B-2006(航空工作液固體顆粒污染等級分級)［8］的制定形式，最終選定工作油液的污染等級作為其加速退化試驗的敏感應力。

(2)性能退化參數的選取

在針對于電液伺服閥進行壽命評估的Omega壽命理論中，Q(t)代表的是內泄漏量，即可以選定內泄漏量作為電液伺服閥的性能退化參數。通過對電液伺服閥故障機制進行分析，油液的污染磨損會導致內漏量的增加與壓力增益的降低。為了避免由于環境干擾及人為測量帶來的誤差，保證試驗數據的準確、可信性，選定內泄漏量與壓力增益兩個性能指標，作為該試驗的性能退化參數。

(3)試驗應力水平的確定

加速退化試驗中，試驗應力水平是在產品正常工作時的應力水平與產品在該應力下的工作極限之間選取。由于尚未檢索到針對電液伺服閥進行加速試驗的資料，因此該試驗的應力水平需要通過預試驗來確定。

(4)應力施加方式的確定

由于電液伺服閥的價格昂貴，試驗樣本量有限，綜合考慮試驗的可行性與效費比，本試驗選用步進應力的加速退化試驗方式。

(5)試驗系統的搭建

目前對液壓元件進行的污染試驗研究，大多采用外加污染顆粒的試驗方法。此種方法選用單一硬度的污染顆粒代替電液伺服閥實際使用時的油液污染環境。使用此方法得出的結果會與實際結果存在一定的誤差。為了模擬電液伺服閥實際使用時的油液環境，采用試驗系統中液壓元件本身產生的毛刺、碎屑與液壓原油中混合的污染顆粒進行試驗的試驗方法。而可直接應用于本試驗的試驗系統，暫未檢索到。經過對實際液壓系統的研究與探討，設計出了針對于本試驗方法的試驗系統，其主要結構如圖2所示。

圖2 電液伺服閥污染磨損試驗系統結構圖

2.3 預試驗及結果分析

由于電液伺服閥在實際使用中，其工作液的污染度為7－8級［9］，工作極限為12級。在預試驗中，選取電液伺服閥正常工作時油液污染度與其工作極限之間的某一應力水平進行試驗，來評判油液的污染度是否為可加速應力，并觀測其性能退化趨勢，選擇污染度為11級的污染油液。

取一個試驗樣本，將其置于污染度為11級的工作油液中運行，其他工作條件均與被測電液伺服閥的技術要求一致。運行30 h，下面分別給出被測電液伺服閥試驗前，試驗15 h后，試驗30 h后的壓力特性曲線和內泄漏量曲線。

(1)壓力特性曲線

其中壓力增益初始值為:75.25 MPa/mA，試驗15 h后壓力增益為:70.18 MPa/mA，試驗30 h后壓力增益為:49.77 MPa/mA。

將圖3中3條曲線進行對比，可以看出，3條曲線的斜率有遞減的趨勢，即被測電液伺服閥在油液污染等級為11級的條件下運行30 h，其壓力增益存在下降趨勢，且滯環明顯變小。

對電液伺服閥，預試驗30 h內的壓力增益變化趨勢分別進行多項式與指數模型擬合，得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 壓力增益退化趨勢指數擬合曲線

表1 預試驗壓力增益不同擬合模型下的參數分析表

由圖中真實試驗數據點可以看出，在預試驗的前5 h，電液伺服閥的壓力增益有明顯的下降趨勢，5 h后壓力增益逐漸下降，在正式SSADT試驗中同樣存在這種現象。其原因為:試驗選用的是零重疊的電液伺服閥，即當閥的重疊量為零時，其性能最好、最穩定。然而生產方為了保證伺服閥高可靠，長壽命，一般將閥加工為正重疊。在對其進行污染磨損試驗過程中，伺服閥的重疊量逐漸從正重疊變為零重疊再到負重疊。此試驗數據充分說明較高的油液污染度會對電液伺服閥產生嚴重磨損。

由擬合得出的電液伺服閥壓力增益退化曲線，可以看出預試驗的30 h內，被測電液伺服閥的壓力增益存在明顯下降。且曲線的擬合度較高，由此可以確定擬合模型具有很高的可信性。由于目前在壽命預測方面，指數壽命模型較多項式模型應用廣泛，壽命預測方法較成熟。因此，確定指數模型為電液伺服閥壓力增益退化的退化模型。

(2)內泄漏量曲線

其中內泄漏量的初始值為0.27 L/min，試驗15 h后內泄漏量為0.29 L/min，試驗30 h后內泄漏量為0.34 L/min。

對電液伺服閥，預試驗30 h內的內泄漏量變化趨勢分別進行多項式與指數模型擬合，得到如圖6所示的擬合曲線。

圖5 預試驗中電液伺服閥內泄漏量變化曲線

圖6 內泄漏量退化趨勢指數擬合曲線圖

表2 預試驗內泄漏量不同擬合模型下的參數分析表

從整體上看，在預試驗的30 h內，內泄漏量有了明顯的增加，但數據點的波動較大。因電液伺服閥反應靈敏，性能指標在測量時，外界環境的振動、測量時的油溫均會對測量數據產生影響。若在正式加速退化試驗中，僅用內泄漏量的測量值評判電液伺服閥的磨損程度，則會給試驗帶來很大的誤差，因此，最初選用內泄漏量與壓力增益兩個性能指標，作為試驗中的性能退化考核參數，是非常合理的。

壓力增益擬合效果一樣，用指數模型擬合出來的曲線擬合度較高，曲線具有很高的可信性。因此，對于內泄漏量的退化同樣亦選用指數模型。

2.4 SSADT試驗設計

在預試驗中，電液伺服閥在油液污染等級為11級的條件下，運行30 h，其壓力增益下降了25.48 MPa/mA，即性能退化了34%;內泄漏量增加了0.07 L/min，即增加了初始值的26%。以上數據表明，較高的油液污染等級會對電液伺服閥造成嚴重磨損，使其性能發生明顯退化。

根據對預試驗退化數據的分析，得出壓力增益的退化模型為:y(t)=92.086－9.963 2exp(0.045 2t);內泄漏量的退化模型為:y(t)=0.265+0.008 2exp(0.068 8t)。

通過以上分析，得出電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的試驗要點，如下:

(1)以電液伺服閥工作油液的污染度作為試驗應力;

(2)由于電液伺服閥價格昂貴，樣本量有限，因此選擇采用步進應力的加速退化試驗方式，選用3個樣本量;

(3)試驗應力水平:從電液伺服閥正常工作時油液的污染度與電液伺服閥的工作極限之間選擇4個應力水平，分別為8級、9級、10級、11級;

(4)每個應力水平試驗時間的確定:選擇退化量相同的方式，即每個應力水平下，使選定的電液伺服閥的退化性能參數退化10%后，升到下一應力水平繼續試驗，如此試驗，直到做完11級油液污染度試驗為止。

3 小結

設計了步進應力的加速退化試驗方法，對油液污染對電液伺服閥壽命影響進行研究。通過對預試驗的結果進行分析，得出了加速退化試驗的敏感應力、應力水平、應力步長、性能退化參數及退化模型，給出了具體的電液伺服閥污染磨損加速退化試驗方法。該方法可以有效地縮短試驗時間，提高試驗的效費比;并且對電液伺服閥進行壽命預測，可以為電液伺服閥正常、可靠的運行提供保障。該試驗對提高電液伺服閥的可靠性，完善其性能具有一定的指導意義。

該方法的提出，為電液伺服閥污染磨損試驗資料缺乏的現狀下，做了一些有益的探索。該試驗方法不僅適用于電液伺服閥，對于其他液壓元件的污染磨損研究同樣適用。

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