高精度泵控式電液執行器研制關鍵技術及應用問題解決

牛道東　井健

摘 要：本文就高精度泵控式電液執行器的關鍵技術進行詳細闡述，并針對技術應用中出現的一些問題，及其解決方法進行研究。

關鍵詞：高精度泵控式電液執行器;關鍵技術;問題;解決辦法

泵控式電液執行器具有控制精度高、可靠性好、溫度適應范圍廣，廣泛應于油氣管道，用以實現管道輸送壓力、流量精準調控;以往的電液執行器難以同時實現快速和高精度控制，且齒輪泵易磨損，工作壽命短。本文提出一種無外置管路和儲油箱一體化閉環泵控式液壓系統和一種基于分步式接近的高精度位移閉環控制算法，解決了液壓缸位移不易精確控制的難題，其控制精度可達0.09%;并首創一種基于類金剛石鍍膜和間隙補償技術的長壽命齒輪泵，解決了齒輪泵易磨損問題，現詳細闡述如下：

1 高精度位置調節技術

液壓系統采用泵控式方案，依靠內部油路集成雙向齒輪泵、液控配流閥、溢流閥、液壓缸等液壓組件，形成閉環液壓系統?？刂葡到y采用閉環控制方式，把目標指令信號與位置反饋信號實時比較放大后控制交流伺服電機，繼而控制齒輪泵轉速與轉向。液壓驅動和控制雙閉環提高系統穩定性，避免外部因素影響定位精度。智能電液執行器控制系統軟件運行算法中采用高精度閉環控制算法，根據系統運行特性，在接近目標位置過程中，依據目標位置與反饋位置的差值大小實時調整控制參數，實現快速接近，精準到達。采用進回程受力面積相同的雙出桿液壓缸活塞結構，降低因差異性帶來工作狀態不同對定位精度的影響，其次采用的伺服液壓缸具有低摩擦，無爬行，高響應頻率的特點，能夠降低液壓缸的啟動壓力，提高隨動性，減小液壓慣性對定位精度的影響。在控制系統軟件研制過程中，根據高低溫輸出特性曲線確定全程補償函數進行溫度補償，實現全溫范圍下對液壓缸位置的高精度調節;采用交流伺服電機，具有速度和位置控制精度高，慣量小的特點;采用液位指示結構，保證低壓油腔壓力相對穩定，為雙向齒輪泵提供穩定泵前壓力，確保不同溫度下具有相對穩定的流量品質，降低溫度對定位精度的影響。

2 液壓控制系統設計技術

智能電液執行器由雙向齒輪泵提供高壓液壓油作為液壓系統輸入，由伺服液壓缸將液壓油內能轉化為動能作為液壓系統輸出，在雙向齒輪泵與伺服液壓缸之間需要有一套液壓控制系統，用來保證產品在不同負載下正常運轉、待機狀態的長期鎖定、泵前壓力的相對穩定和液壓系統的安全性。為實現上述復雜功能，需要開展液壓控制系統研究，因此將液壓控制系統設計技術作為關鍵技術之一。液壓控制系統包含液控配流閥和溢流閥兩部分。

3 雙向齒輪泵長期穩定技術

雙向齒輪泵是液壓系統中的動力源，保證齒輪泵工作穩定，關鍵是要保證齒輪泵的效率，尤其是容積效率穩定一致，應采用以下措施：①齒輪泵長期工作后，主從動齒輪與泵腔、軸與軸承孔都會發生磨損，使得配合間隙發生變化，降低齒輪泵性能甚至引起齒輪泵報廢，因此，需要采用特種工藝措施來提高旋轉接觸工作零部件表面硬度，通過對比篩選對齒輪齒面和出入軸旋轉表面采用類金剛石鍍膜技術可以提高接觸工作表面硬度，延長其使用壽命。經過該項技術處理的齒輪泵具有壽命長、長期工作穩定性好、通用性強、效率高和噪聲低等優點，能夠保證產品長期工作的穩定性;②采用軸向間隙和徑向間隙的補償技術，減少端面泄漏和徑向泄漏，從結構上穩定了容積效率，確保齒輪泵工作穩定。

4 性能測試技術

智能電液執行器屬于機電一體化設備，在研制過程中，對行程的高精度測量測定、提供滿足要求的運動范圍以及復雜多變的外部載荷環境、對關鍵組件的獨立檢測、還有作動液壓油填充效率等至關重要，直接影響著產品的性能確認、改進優化等方面，因此，將智能電液執行器的性能測試技術確定為關鍵技術之一。智能電液執行器的性能測試技術主要包含四個部分：模擬負載試驗系統、位置檢測系統、齒輪泵測試系統、液壓油加注系統。通過這四大系統分別實現對液壓缸輸出力大小的控制;確保檢測真實有效;優化齒輪泵工藝，提高產品可靠性;提高齒輪泵的效率。

5 研制過程中出現的技術問題及解決情況

5.1 齒輪泵磨損嚴重

雙向齒輪泵經過長時間的磨合，會產生碎屑，產生碎屑留在閉環系統中，往復循環，積累過多的碎屑會造成齒輪泵卡死，或者造成閥桿動作不靈活，最終導致智能電液執行器無法正常工作。齒輪泵磨損問題采取解決措施：①通過熱處理提高齒面和殼體硬度，并保持適當的硬度差;②齒面和主、從動軸采用表面處理，進一步提高齒面硬度;③齒輪泵在裝入電動模塊之前，還要單獨進行跑合試驗后，分解確認零件完好后再進行清洗重裝;④每次液壓系統加油時，需對液壓元件進行清洗或用新油置換，保證系統中只有干凈的新液壓油。改進齒輪泵經磨合試驗驗證，齒輪泵流量穩定，運行平穩，無雜音;磨合后分解發現主動從動齒輪及軸外觀無明顯磨損痕跡，液壓油清澈無雜質。

5.2 采集電路電容與現場長電纜LC諧振現象

智能電液執行器于2017年12月6日現場安裝調試過程中，在電纜連接完畢后進行功能及性能調試時，發現SCADA系統控制機給定信號達到20mA（即100%）后，閥位開度無法達到100%，并且在95%附近震蕩，無法達到穩定狀態。

給智能電液執行器控制系統信號采集電路接口處串聯一個150Ω電阻，破壞LC串聯諧振的條件，問題現象即消失。對產品進行充分測試，在控制信號4～20mA范圍內，未發生信號諧振現象，智能電液執行器控制準確，性能穩定。后續需要對產品接口電路進行改進設計，增加消除串聯諧振的措施，確?？刂葡到y連接任何長度的電纜均不會發生諧振問題，徹底杜絕該現象的發生。

5.3 中山站1221現象

2017年12月21日上午9點21時發現SCADA系統控制信號、現場屏幕顯示及智能電液執行器實際閥位都是0%，但SCADA閥位反饋信號顯示為100%。SCADA系統記錄的曲線現象異常。

對控制軟件閥位反饋模塊中變量傳輸過程的賦值進行限定，完善邊界條件控制，使其不能以負數補碼形式出現，避免變量傳輸過程出現類似問題。同時對20mA以上邊界信號以同樣形式舉一反三，并分析軟件中其他類似模塊，采取相應措施，避免類似問題出現。更改完成后對控制系統軟件進行重新寫入，并在SCADA系統控制信號端采用信號源測試驗證，將輸入電流以0.01mA為步長由4mA逐漸調低到3.5mA，從20mA調高到20.5mA，問題均未復現。隨后恢復系統連接狀態，采用SCADA系統對智能電液執行器進行多次往返和無規律動作，SCADA系統閥位反饋、控制信號及控制箱屏幕顯示值均一致。再對智能電液執行器進行斷電、斷信號及輸入超范圍等異常情況測試，智能電液執行器均能正常工作。

5.4 外觀日曬褪色問題

智能電液執行器在工業應用試驗中期外觀檢查時發現，產品外表面褪色部位采用鋁合金黑色鉻酸陽極化表面處理，在長期光照條件下，黑色有機物染色劑部分成分會分解氧化，從鋁合金陽極氧化膜孔隙間揮發，導致染料變色發黃發褐。為了解決長期曝曬褪色問題，開展不同陽極化曝曬試驗（見表1）。6-10月經過夏季室外4個月曝曬試驗前后對比，03號試件經曝曬后外觀狀態變化最小。決定后續產品生產，按此狀態進行表面處理。

作者簡介：

牛道東，男，漢族，河南南陽人，大學本科，工科學士，職稱：工程師，研究方向：儀器儀表。

井健，男，漢族，陜西白水人，工學碩士，高級工程師，研究方向：測控設備設計。