一種電液伺服閥卡滯失效分析

范東林 黃 海 李玉雪 陳向前

（國營洛陽丹城無線電廠，洛陽 471000）

在某產(chǎn)品修理中出現(xiàn)了舵不歸零現(xiàn)象，經(jīng)分析與試驗(yàn)，確認(rèn)為某型產(chǎn)品電液伺服閥卡滯所導(dǎo)致。將卡滯的電液伺服閥拆解后，在體視顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)在電液伺服閥噴嘴處有類膠狀物。研究整個修理流程，測試其他產(chǎn)品時(shí)，在液壓系統(tǒng)進(jìn)油口處觀察到與電液伺服閥噴嘴處類似性質(zhì)的膠狀物（已固化），在進(jìn)油濾芯的過濾網(wǎng)褶皺上發(fā)現(xiàn)幾處金屬碎屑，且快換接頭發(fā)現(xiàn)有輕微銹蝕物。出現(xiàn)這些現(xiàn)象，通常與制造和修理過程中油液的污染物控制有關(guān)。為準(zhǔn)確定位原因，采用針狀工具疏通卡滯電液伺服閥噴嘴口處的污染物后進(jìn)行再次測試，結(jié)果顯示電液伺服閥卡滯現(xiàn) 象消失。

1 某型電液伺服閥卡滯分析

常用的電液伺服閥一般有噴嘴擋板閥和射流管閥兩種。其中，噴嘴擋板閥在國內(nèi)的生產(chǎn)中使用最廣泛。電液伺服閥是具有力反饋的兩級閥，作用是將控制電流信號轉(zhuǎn)換成液壓油流量輸出信號。力矩馬達(dá)式電液伺服閥結(jié)構(gòu) 見圖1。

圖1 力矩馬達(dá)式電液伺服閥結(jié)構(gòu)圖

某產(chǎn)品液壓系統(tǒng)工作原理框圖見圖2，其中加壓閥的作用為在液壓泵出口快速建立壓力差，使某產(chǎn)品能源系統(tǒng)快速起動。經(jīng)過拆解和分析液壓系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，在液壓系統(tǒng)除氣加注時(shí)，從液壓泵到加壓閥之間的液壓油并不能被全部置換，同時(shí)現(xiàn)場也發(fā)現(xiàn)在除氣加注過程中存在油液變色現(xiàn)象，因此判斷產(chǎn)品液壓系統(tǒng)中可能混入了不能去除的變質(zhì)的液壓油。系統(tǒng)多次循環(huán)后油液進(jìn)入電液伺服閥，長期存儲后引起了電液伺服閥的卡滯。

根據(jù)相關(guān)資料[1]，油液中存在1～5 μm顆粒時(shí)容易造成淤積，增加摩擦阻力。當(dāng)動力不足以克服摩擦力時(shí)，就會造成液壓元件的卡死。從某產(chǎn)品液壓工作原理框圖及電液伺服閥結(jié)構(gòu)也可以看出，液壓系統(tǒng)測試時(shí)，測試系統(tǒng)液壓油并不經(jīng)過閥門組合油濾器，只經(jīng)過測試口處濾油器（圖2未畫出）直接進(jìn)入舵伺服機(jī)構(gòu)。其過濾精度較低，可能導(dǎo)致小尺寸段的顆粒污染物累計(jì)增加。而舵電液伺服閥本身自帶濾油器且過濾精度高，但只過濾進(jìn)入節(jié)流器和噴嘴的油液，并不過濾進(jìn)入閥芯處的油液，可能導(dǎo)致與閥體間隙小的閥芯的損傷或卡滯（伺服閥間隙1～5 μm），從而造成電液伺服閥的失效。

圖2 某產(chǎn)品液壓系統(tǒng)工作原理框圖

經(jīng)過測試驗(yàn)證和綜合分析，造成某型電液伺服閥失效的原因應(yīng)與液壓介質(zhì)的污染相關(guān)。

2 電液伺服閥的失效分析

2.1 電液伺服閥的失效模式

油液清潔度造成的電液伺服閥失效的模式主要有以下幾種[2-3]。

（1）淤積失效。當(dāng)電液伺服閥靜止并有壓力作用時(shí)，會在閥芯與閥體之間出現(xiàn)淤積。隨著污染物的聚積，閥芯與閥體之間的摩擦增大，響應(yīng)時(shí)間延長，導(dǎo)致電液伺服閥響應(yīng)不穩(wěn)定，并有一個很寬的滯環(huán)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電液伺服閥出現(xiàn)卡滯。

（2）卡澀失效。當(dāng)電液伺服閥零偏很大時(shí)，作用在閥芯兩端的油壓使得閥芯與閥體的金屬接觸表面之間出現(xiàn)微觀粘附。這種偏載荷一般為閥芯和閥體之間的環(huán)形縫隙的不均勻污染物的淤積造成，嚴(yán)重卡澀時(shí)可能引起電液伺服閥卡緊失效。

（3）沖蝕失效。沖蝕失效由比閥芯或閥體表面更硬的顆粒及污染物引起，是顆粒污染物對閥芯或閥體沖擊或切削加工作用的結(jié)果。閥芯或閥體的節(jié)流棱邊被損壞，會降低壓力增益，增加內(nèi)部泄漏。

（4）堵塞失效。在電液伺服閥中，噴嘴與擋板之間的間隙非常小，節(jié)流閥口與噴嘴口直徑也很小，一旦有超過噴嘴與擋板間隙或開口直徑的污染物進(jìn)入或聚集，極易發(fā)生堵塞，最終導(dǎo)致電液伺服閥卡滯。

（5）應(yīng)力作用失效。電液伺服閥零偏過大時(shí)，彈簧管始終會受到應(yīng)力作用。彈簧管長期處于此狀態(tài)會造成彈性力的變化甚至發(fā)生失效，最終導(dǎo)致電液伺服閥控制失效而不能正常工作。

噴嘴擋板式電液伺服閥的控制口（噴嘴和擋板處）容易被污染物堵塞。節(jié)流孔、噴嘴孔以及噴嘴和擋板之間的間隙等對顆粒污染物比較敏感。雖然噴嘴孔直徑一般為數(shù)百微米，噴嘴與擋板之間的間隙為50～100 μm，但只要是20 μm以上的顆粒仍可能聚集成團(tuán)將噴嘴孔堵塞，而 0～10 μm的顆粒對電液伺服閥影響較小。

某型電液伺服閥堵塞發(fā)生于噴嘴與擋板之間，在顯微鏡下觀察到的污染物見圖3，其成分為黑色非金屬團(tuán)與金屬屑的混合物。

圖3 顯微鏡下觀察到的電液伺服閥的污染物

某型電液伺服閥卡滯的主要原因在于液壓介質(zhì)的污染[4]。隨著液壓系統(tǒng)的使用條件正在向高壓、高轉(zhuǎn)速和高精度方向發(fā)展，液壓介質(zhì)的污染對液壓系統(tǒng)的性能及可靠性影響極大，因此應(yīng)加強(qiáng)控制電液伺服閥系統(tǒng)中液壓油污染的力度。

2.2 液壓油中污染物的來源

液壓油液的污染源主要包括5個方面。

（1）新液壓油被污染。新油液在運(yùn)輸、存儲直至加注到測試系統(tǒng)或產(chǎn)品液壓系統(tǒng)的過程中，會被管路、容器以及加注設(shè)備等之間可能存在的污染物（如金屬屑、橡膠顆粒、氧化皮、鐵銹和纖維等）污染。

（2）殘留污染。液壓系統(tǒng)中，尤其新的電液伺服閥及其油道中會存在一定的殘留污染。典型的殘留污染物有毛刺、飛邊、切屑、灰塵、纖維、密封膠和清洗液等。

（3）油液變質(zhì)。液壓油在長期使用過程中會出現(xiàn)油液的降解或氧化失效、水分及粘度增加以及油液酸性變質(zhì)等問題。

（4）進(jìn)入污染。進(jìn)入污染主要指來自周圍環(huán)境的污染源進(jìn)入液壓系統(tǒng)。解決進(jìn)入污染的關(guān)鍵在于要確保進(jìn)入系統(tǒng)的油液清潔無污染。

（5）內(nèi)部生成污染。對液壓系統(tǒng)危害較大的污染是該系統(tǒng)本身所產(chǎn)生的污染物，包括電液伺服閥制造和裝配中產(chǎn)生的污染物。

控制液壓系統(tǒng)中油液污染的主要措施是過濾，即采用濾油器凈化油液。常見的濾油器只是由多孔性濾材做機(jī)械性過濾，而機(jī)械性過濾只能除去磨粒或較大污物，并不能去除引起氧化變質(zhì)的微塵等。因此，必須足夠重視并嚴(yán)格控制液壓油的氧化變質(zhì)。

3 某產(chǎn)品電液伺服閥故障處理

針對某產(chǎn)品電液伺服閥出現(xiàn)的卡滯現(xiàn)象，應(yīng)從以下幾個方面采取措施。

（1）在控制液壓油質(zhì)量方面，要重點(diǎn)監(jiān)測液壓油的酸值、水分、機(jī)械雜質(zhì)、水溶性酸和堿和氧化安定性5個性能指標(biāo)。建議每年檢測一次液壓測試系統(tǒng)中的油液。生產(chǎn)任務(wù)量大時(shí)，指標(biāo)測試周期可縮減為半年。

（2）定期檢測測試系統(tǒng)中油液的清潔度，嚴(yán)格控制油液污染等級。對于整個測試系統(tǒng)，建議每季度利用在線檢測口檢測一次。對于測試系統(tǒng)中的各液壓過濾器或?yàn)V芯，在在線檢測合格的前提下，每3年左右更換一次。對于新進(jìn)入測試系統(tǒng)的液壓油，在條件許可時(shí)，可按產(chǎn)品液壓系統(tǒng)所要求的污染等級控制。

（3）某產(chǎn)品液壓系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)的電液伺服閥濾油器并不會二次過濾進(jìn)入閥芯的油液，因此必須重視油液進(jìn)入系統(tǒng)前油濾器的質(zhì)量控制。對于除氣加注流程中難以去除的液壓泵到加壓閥之間的油液變質(zhì)和污染，可采用拆解后清洗液壓泵、單向閥或加壓閥的方法來處理。

（4）為了更好地保證生產(chǎn)，要排查修理現(xiàn)場的環(huán)境，分析和處理可能引入污染源的地方。例如，對電液伺服閥測試臺進(jìn)行超凈化處理，以避免測試過程中進(jìn)入污染物；對測試設(shè)備各快換接頭進(jìn)行防護(hù)處理，對難以直接觀察的油道必要時(shí)可采用內(nèi)窺鏡觀察，從而減少污染物的進(jìn)入；應(yīng)加強(qiáng)對非金屬物（如密封圈）裝配前的檢查，杜絕有損傷或有飛邊的密封圈裝入產(chǎn)品。

（5）嚴(yán)格落實(shí)修理過程中的相關(guān)規(guī)章制度。例如，加強(qiáng)對超凈間的管理，清理整頓超凈間；分解裝配液壓系統(tǒng)過程中，增加用汽油清洗的內(nèi)控環(huán)節(jié)；在各液壓元件及電液伺服閥分解和裝配時(shí)，應(yīng)注重清潔度，尤其對各配合面，應(yīng)做好防塵和清潔工作。

（6）在電液伺服閥測試過程中尤其是發(fā)現(xiàn)伺服閥卡滯時(shí)，可以采用大電流沖洗伺服閥，去除可能堵塞或淤積的污染物。因此，在實(shí)際使用中，大電流沖洗也可作為一種故障處理措施。為避免大電流清洗可能引起的彈簧管應(yīng)力損傷、電液伺服閥控制上的誤差增大及閥芯與閥體之間的過度磨損，應(yīng)盡量避免采用大電流沖洗伺服閥的方法解決伺服閥卡澀現(xiàn)象。

4 結(jié)語

針對某產(chǎn)品電液伺服閥出現(xiàn)卡滯故障，在拆解分析整個液壓系統(tǒng)環(huán)節(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)入口處濾油器存在金屬碎屑，測試口有固態(tài)膠狀物，且在電液伺服閥噴嘴處也觀察到污染物的問題。結(jié)合液壓系統(tǒng)修理過程，認(rèn)為該問題主要由產(chǎn)品液壓油的變質(zhì)或引入污染引起。

分析測試系統(tǒng)5個液壓油指標(biāo)的檢測結(jié)果，認(rèn)為測試系統(tǒng)中油液變質(zhì)可能性較小，某產(chǎn)品自身液壓系統(tǒng)中油液變質(zhì)可能性較大，但不排除測試過程中的引入污染。因此，在某產(chǎn)品修理過程中必須嚴(yán)格按照規(guī)程修理，避免外來污染物的侵入。同時(shí)，在產(chǎn)品修理時(shí)，要嚴(yán)格控制液壓泵、單向閥和加壓閥的清洗質(zhì)量，需徹底清理液壓泵到加壓閥之間可能變質(zhì)的液壓油，同時(shí)嚴(yán)格控制測試時(shí)進(jìn)入舵伺服閥的油液污染，必要時(shí)可將某產(chǎn)品測試進(jìn)口濾油器作為必?fù)Q件進(jìn)行更換，從而降低電液伺服閥失效概率。