閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時間的一種新用途

湯 力，魏 伊，劉鳳江，楊 波，楊文祥

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時間的一種新用途

湯 力，魏 伊，劉鳳江，楊 波，楊文祥

（北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京，100076）

采用AMEsim軟件對閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓過程進行仿真和試驗研究，解釋了伺服閥前置級油濾納垢程度與伺服閥靜耗量以及系統(tǒng)泄壓時間的影響關(guān)系。提出可以將閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時間作為伺服閥油濾納垢程度的一種新的表征方式，監(jiān)控電液伺服系統(tǒng)的健康程度。

伺服系統(tǒng)；泄壓時間；伺服閥；靜耗量；油濾

0 引 言

伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的核心元件。伺服系統(tǒng)的很多故障是由于伺服閥失效引起的，其中有70%～80%的伺服閥失效是由油液污染導致[1]。伺服閥是一種精密的電液元件，其前置級液壓放大器典型工作間隙在0.02 mm左右，最易受油液污染而失效；由于絕對過濾精度較高（航天產(chǎn)品一般為10 um），對污染度也十分敏感，一般在前置級前端設(shè)置油濾。航天領(lǐng)域電液伺服系統(tǒng)多采用閉式設(shè)計，本文通過AMEsim仿真分析和試驗研究，提出可以將其泄壓時間作為伺服閥油濾納垢程度的一種新的表征方式，監(jiān)控潔凈程度，在其堵塞前替換，確保任務執(zhí)行的可靠性。

1 泄壓過程的機理分析

某航天電液伺服系統(tǒng)工作原理如圖1所示，采用閉式設(shè)計，主要包括：系統(tǒng)控制器、電動液壓能源和伺服作動器。

在電動液壓能源斷電后，高壓部分的液壓油（虛線部分）通過伺服閥的間隙返回低壓部分，直至高壓部分的壓力下降到與低壓部分相同，整個過程的時間稱為泄壓時間，可以通過測試曲線進行監(jiān)測。泄壓過程原理如圖2所示。

將兩個伺服閥間隙簡化為一個阻尼孔，單一考慮伺服閥對系統(tǒng)泄壓過程的影響，建立AMEsim仿真模型，如圖3所示[2]。

仿真結(jié)果表明當只考慮伺服閥對泄壓時間的影響時，泄壓的速度與伺服閥的靜耗量成正比[3]，仿真曲線對比如圖4所示。

伺服閥的靜耗量是在負載兩腔關(guān)閉情況下測量從供油到回油的流量，是其內(nèi)部工作間隙的綜合表達，包括功率級和前置級，測試曲線如圖5所示。

功率級部分貢獻的伺服閥靜耗量雖然隨著伺服閥工作電流變化，但其構(gòu)成比較簡單，主要是滑閥副工作間隙引起，計算公式為

式中c0K 為滑閥的零位流量-壓力放大系數(shù)；rP為回油腔壓力；sP為回油腔壓力[4]。

經(jīng)計算，某型伺服閥供油壓力為16 MPa、回油壓力為0時，伺服閥的功率級靜耗量約為0.26 L/min。隨著伺服閥工作時間加長，滑閥副磨損，包括配合間隙、搭接量、節(jié)流邊圓角等等，零位流量-壓力放大系數(shù)增大，此部分的靜耗量只會增大[5]。

伺服閥前置級相對復雜，其工作原理如圖6所示。

液流通道中有噴嘴-擋板、回油阻尼孔、供油節(jié)流孔和油濾等，此部分對靜耗量的貢獻比較固定，可以等效為一個固定節(jié)流孔，計算公式為式中jC為等效節(jié)流孔的流量系數(shù)；jd為節(jié)流孔的直徑；c0P為噴嘴控制腔的壓力[6]。

正常情況下系統(tǒng)前置級靜耗量受噴嘴-擋板處的節(jié)流影響最大。經(jīng)計算，當伺服閥供油壓力為16 MPa、噴嘴控制腔的壓力為7 MPa時，伺服閥的前置級靜耗量約為0.30 L/min。油濾由于在伺服閥內(nèi)部，體積較小，絕對過濾精度又高，如果因納入足夠的微小顆粒而嚴重堵塞，會成為流道中最小的節(jié)流環(huán)節(jié)，從而顯著降低靜耗量[7]。

2 試驗研究

測試20套伺服系統(tǒng)的泄壓時間如圖7所示，其中1臺泄壓時間為15 s，顯著大于其他的泄壓時間，表明有異常。

對該臺伺服系統(tǒng)進行問題分析。首先對伺服系統(tǒng)原配套的2臺伺服閥進行更換，泄壓時間恢復正常。將原配套的2臺伺服閥進行靜耗量測試[8]（供油壓力為16 MPa），功率級靜耗量為0.29 L/min和0.26 L/min，與驗收數(shù)據(jù)0.29 L/min和0.24 L/min相比還少有增加；前置級靜耗量卻為0.2 L/min和0.23 L/min，與驗收數(shù)據(jù)的0.34 L/min和0.34 L/min相比增加了50%以上，表明有異常。正常情況下，伺服閥前置級油濾的節(jié)流壓降非常小，通常忽略不計。但是，當因納入足夠多的微小顆粒而嚴重堵塞時，油濾的節(jié)流壓降可能達到4.5 MPa。此時，伺服閥的前置級靜耗量會減小約30%。

若回油阻尼孔、節(jié)流孔或噴嘴-擋板等發(fā)生堵塞，伺服閥零位偏差會顯著增大。測試零偏電流為0.08 A和0.07 A，與驗收數(shù)據(jù)中的0.1 A和0.1 A相比更好，可以排除。因此，判斷油濾發(fā)生堵塞。

檢查油濾組件，發(fā)現(xiàn)其局部附著黑色膠狀物質(zhì)，對該物質(zhì)成分進行分析并使用光譜成份分析，該物質(zhì)主要由聚四氟乙烯和橡膠兩類物質(zhì)組成，尺度在100～300 um，判斷是該伺服系統(tǒng)中的密封圈因運動摩擦脫落而產(chǎn)生的碎屑。更換2臺伺服閥的油濾，測試靜耗量恢復正常，伺服系統(tǒng)泄壓時間也恢復正常。

3 結(jié) 論

通過仿真和試驗研究，發(fā)現(xiàn)伺服閥前置級油濾納垢程度顯著影響閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時間。因此，可以將泄壓時間作為一種新的表征伺服閥前置級油濾納垢程度的方式，如果發(fā)現(xiàn)明顯增加，可以替換油濾，確保伺服系統(tǒng)正常工作。

[1] 井夫宣. 電液伺服系統(tǒng)的清潔度控制[J]. 液壓與氣動, 2006(2): 62-63.

[2] 施康. 基于 AMEsim 仿真的電液伺服系統(tǒng)故障診斷研究[D]. 武漢: 武漢科技大學, 2009.

[3] 李萌. 基于滑閥配磨仿真曲線的伺服閥性能評估[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2012.

[4] 李壯云. 液壓元件與系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.

[5] 周長城. 液壓技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011.

[6] 馬娟, 王春娟. 先導式高壓泄壓閥在長輸管線上的內(nèi)漏分析與解決方法[J]. 黑龍江科技信息, 2014(6): 4-5.

[7] 郭威. 雙噴嘴擋板伺服閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬分析[D]. 太原: 太原理工大學, 2010.

[8] 文強. 基于虛擬儀器的電液伺服閥的靜態(tài)性能測試[D]. 長春: 長春理工大學, 2011.

A New Application of Closed Electro-hydraulic Servo System Pressure Relief Time

Tang Li, Wei Yi, Liu Feng-jiang, Yang Bo, Yang Wen-xiang
(Beijing Research Institute of Precision Mechatronics and Controls, Beijing, 100076)

Simulation and experiments of pressure relief process on closed electro-hydraulic servo system are implemented based on AMEsim, showing that the heavily clogging of servo-valve’s internal filter may influence the servo-valve’s leakage and the system’s pressure relief time significantly. Therefore, an abnormally increased pressure relief time can be used to indicate servo-valve’s internal filter’s clogging level and to further monitor electro-hydraulic servo system’s condition.

Servo system; Pressure relief time; Servo-valve; Internal leakage; Filter

V434

A

1004-7182(2017)05-0071-03

10.7654/j.issn.1004-7182.20170517

2016-04-07；

2017-01-11

湯 力（1987-），男，工程師，主要研究方向為伺服系統(tǒng)設(shè)計