基于加速壽命試驗方法的伺服閥污染卡滯壽命分析

王洪波，黃智鵬，張向英，曹瑞康，徐悅鵬，孔祥東

(1.慶安集團有限公司，陜西 西安 710077；2.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004)

引言

電液伺服閥一直被視為電液伺服控制系統中的重要元件，集機械、電子、磁場、流體傳動、傳感和控制等多學科技術于一體，對系統的靜態和動態特性起著關鍵作用[1-3]，且有負載能力強、功率密度大、響應快、控制精度高等優點，廣泛應用于航天、航空、兵器、冶金、機床、模擬實驗等多個領域[4-5]。

因電液伺服閥成本較高，對伺服閥的失效模式及壽命進行優化分析就顯得尤為必要。伺服閥有多種失效模式，如淤積失效、卡澀失效、沖蝕失效等，都對伺服閥壽命有決定性的影響[6-7]。設備中的控制系統非常精密，有些液壓控制流道十分狹窄，對液壓油的清潔要求很高[8]。而液壓設備油污染問題中，固體污染最為常見。液壓系統的固體油污染，會直接附著在過濾器表面造成過濾器的堵塞，產生普遍的污染卡滯問題[9]。固體顆粒污染物引起的液壓系統故障占總故障的60%～70%[10]。

針對伺服閥的壽命分析問題，國內外學者均有多方面的研究。GAYAKA S等[11]利用自適應狀態重建機制和自適應觀察器進行電液壓系統故障檢測，對伺服閥使用壽命的增益有一定的幫助。ZHANG K等[12]根據EHSV失效特征，利用計算流體力學和沖蝕理論模擬出了潛在沖蝕和相應磨損率，從而得出使用壽命。YIN Y B等[13]針對閥中的顆粒侵蝕，建立數學模型模擬侵蝕過程，得到了沖蝕速率和磨損輪廓，結果表明，隨著閥芯開度的變化，小顆粒的最大侵蝕率沒有顯著變化。褚淵博等[14]分析了影響射流管式伺服閥耐久性潛在薄弱項的失效機理,并分別進行了軟件仿真和耐久性壽命計算,通過軟件仿真和理論計算得出了射流管式伺服閥潛在薄弱項的耐久性壽命。高婷等[15]以電液伺服振動臺的安全性、可靠性、經濟性、技術性評價指標和20個二級評價指標為基礎,構建了電液伺服振動臺壽命評價指標體系，該方法能有效地評價電液伺服振動臺的使用壽命。由此來看，國內外的研究大都沒有評估特定失效模式對壽命的影響，而依靠仿真進行模擬來計算耐久性壽命在失效模式上也缺乏相應的針對性。

按慣例測試電液伺服閥的壽命是確定其壽命的唯一方法，但是考慮到費用和周期以及不能評估特定失效模式對壽命的影響，這種方法很少實施。而采用加速試驗方法，不改變電液伺服閥失效機制,通過超過參考條件所用應力水平的試驗，獲取試驗數據，根據加速試驗原理外推電液伺服閥的實際使用狀態壽命，為伺服閥壽命評估提供一種方法。

1 污染卡滯加速壽命試驗理論方法

1.1 污染卡滯敏感度

污染卡滯是由于小顆粒淤積在閥芯和閥套的間隙導致運動副反應遲鈍引起卡滯，卡滯力等于卡滯敏感度與所有尺寸顆粒濃度乘積之和。污染卡滯敏感度是指每個顆粒卡滯力增量。顆粒濃度等于流體中的流速和顆粒濃度的乘積。變量之間的數學表達式為：

(1)

式中，Sj——相對于第j顆粒尺寸等級的元件污染卡滯敏感度

nj(t)——j尺寸等級污染顆粒的濃度(單位體積內的數量)，mg/L

Qj(t)——流過間隙的流量，L/s

t——靜置時間，s

j——下標，表示顆粒的尺寸范圍等級

Fj(t)——j尺寸等級污染顆粒引起的卡滯力，N

污染卡滯模型關鍵參數是卡滯力Fj(t)，而與系統流量沒有太大關系。式(1)可以寫成增量形式:

ΔFj(t)=SjQj(t)nj(t)Δt

(2)

卡滯污染敏感度通過試驗獲取，試驗必須采用標準的試驗粉塵，并且為了得到不同尺寸顆粒的污染敏感度，將全尺寸的試驗粉塵(0～100 μm)加工為采低切粉塵，尺寸變為0～5 μm，0～10 μm，……，0～80 μm 等多個尺寸段。

第一次試驗：在干凈的油液中按量配比加入0～5 μm的粉塵，可以得到污染的0～5 μm粉塵初始濃度n1；在流量為Q1(t)、靜置時間為Δt的條件下，測得增加的驅動力為F1(t)，由式(2)得到0～5 μm尺寸段的污染卡滯敏感度為：

(3)

第二次試驗：在第一次基礎上，加入0～10 μm的粉塵，0～10 μm的顆粒造成的磨損是由0～5 μm和5～10 μm 2個段的顆粒疊加而成，所以最終增加的卡滯力也為0～5 μm和5～10 μm的顆粒分別造成的，即得到5～10 μm尺寸段的污染卡滯敏感度為：

(4)

依次類推，加入第j次試驗的粉塵，則污染敏感度為Sj：

(5)

1.2 污染卡滯壽命

在污染卡滯試驗中，假定流體類型、壓力、流速和黏度等操作條件相同，那么影響污染使用壽命的2個最重要的變量是污染物濃度和顆粒尺寸，在實際使用中，通過污染物的持續進入和油濾的過濾作用，停留在元件中的平均污染物分布近似恒定。因此，粒徑分布保持在如下所示的恒定水平條件下：nj(t)=nf，j

則將式(2)整理為T函數，即元件污染卡滯使用壽命為：

(6)

式中,T——污染卡滯使用壽命，s

ΔFT——T時間增加的卡滯力，N

Ql——閥的泄漏量，L/s

nf,j——j尺寸等級污染物的濃度，mg/L

1.3 污染卡滯加速因子

根據式(6)，提高污染物濃度，不改變污染物分布狀況，可以用來進行污染卡滯加速試驗。我們定義實際使用狀態為“field”，加速試驗時定義為“test”，則兩種狀態下的污染卡滯壽命分別是Tfield，Ttest，將兩式相除即為加速因子：

(7)

在加速壽命試驗分析中，最大允許卡滯力增加量ΔFT在實際使用狀態和加速試驗狀態保持不變，污染敏感度系數Sj是產品本身屬性，實際使用狀態和加速試驗狀態保持不變，則有：

(8)

式(8)中，分子是基于特定產品在實驗室通過加速試驗方法測試；分母代表在實際使用中獲取的兩者相同的靈敏度系數條件下獲得的正常壽命值，唯一不同的是前者考慮了較低顆粒濃度時的情況。因此，如果加速壽命試驗中使用的每一尺寸段的污染物濃度是實際使用狀態的α倍，則式(8)可以簡化如下：

(9)

很明顯，加速因子AF是加速水平條件下與實際使用條件下的濃度比。

2 伺服閥污染卡滯壽命試驗案例

2.1 加速壽命載荷譜

綜合上述分析，確定電液伺服閥的加速壽命載荷譜如下：

關鍵參數：根據污染卡滯的機理分析，污染卡滯造成卡滯力增加，對產品的關鍵性能參數是死區，確定初始值為1%；

加速應力：污染顆粒的濃度水平，對于精密航空伺服閥，加速試驗濃度要高于正常運行工況的7～10倍，推薦濃度水平為每一次較低的切割試驗粉塵，30 mg/L。

試驗時間：根據經驗推薦，每一次濃度水平較低的切割試驗粉塵的靜止時間為120 s。

2.2 加速壽命試驗分析

按照上述加速壽命載荷譜進行試驗，使用某公司激光顆粒測量儀器HS-778進行油液污染物濃度測試，如圖1為測試設備。

圖1 油液污染物濃度測試設備Fig.1 Oil pollutant concentration test equipment

測試完油液污染物濃度后，又通過設備對電液伺服閥進行死區等靜態特性的測量，如圖2所示為測量電液伺服閥死區試驗。

圖2 電液伺服閥死區測量試驗Fig.2 Dead zone measurement test of electro-hydraulic servo valve

試驗數據如表1所示，第二列為加速試驗推薦濃度水平30 mg/L下各尺寸段污染物顆粒的濃度，第三列為加速試驗中記錄的死區數值，第四列為性能衰減死區增量。

表1 伺服閥污染卡滯試驗數據表Tab.1 Data table of servo valve pollution stuck test

2.3 污染敏感度計算

根據式(5)計算伺服閥污染卡滯敏感度，如表2所示。

表2 油液污染卡滯敏感度Tab.2 Stagnation sensitivity of oil contamination

3 伺服閥污染卡滯壽命

3.1 與現場條件擬合分析

假設現場條件的油液清潔度等級為GJB420B 6級，可知污染度等級采用的尺寸分別大于1，5，15，25，50，100 μm，與試驗用到的0～5 μm，5～10 μm等并不匹配，需要進行數據擬合才可以得到任意尺寸的顆粒含量，擬合結果如表3所示。

表3 擬合后GJB420B 6級尺寸范圍顆粒數Tab.3 Number of particles in GJB420B 6-level size range after fitting

根據電液伺服閥的實際使用情況，某伺服閥壽命末期死區增加了4.879%，依據公式(6)計算在GJB420B 6級油液污染度下伺服閥的污染卡滯工作壽命為9584 s。

(10)

3.2 其他污染度等級下伺服閥的污染卡滯壽命評估

GJB420B中每提高一級污染度等級，顆粒濃度翻1倍，例如六級的顆粒濃度是五級顆粒濃度的2倍，九級是六級顆粒濃度的8倍。依據式(6)，可以直接利用擬合好的六級的顆粒濃度來推算其他等級的顆粒濃度，然后計算不同污染度等級下伺服閥的壽命。

表4 不同污染度等級下伺服閥的壽命Tab.4 Life of servo valves under different pollution levels

4 結論

(1) 分別建立了不同尺寸段顆粒污染物下，伺服閥的污染卡滯敏感度數學模型、元件污染卡滯使用壽命數學模型，確定了污染卡滯加速因子，即加速水平條件下與實際使用條件下的污染顆粒濃度比。進一步依據加速壽命試驗方法，選取不同污染卡滯濃度下的死區增加量作為評價伺服閥性能參數，估算不同污染等級下的工作壽命。

(2) 試驗結果表明，因油液污染導致的污染卡滯會使伺服閥壽命極大降低，因此,在實際使用中，要嚴格控制油液污染度，定期進行檢查、清洗，以保證產品的使用壽命。