電液伺服作動器活塞桿抖動問題的幾種原因分析

摘" 要：電液伺服作動器作為電液伺服系統工作中的關鍵執行機構，其性能穩定性對伺服系統乃至飛行控制系統具有重要影響。產品測試過程中，要求活塞桿運動平穩，然而在工程實例中，伺服作動器活塞桿抖動問題時有發生，結合電液伺服作動器及其組成部分的工作原理，對該問題進行細致的故障分析，并提出一些相應的解決措施。

關鍵詞：電液伺服作動器；活塞桿抖動；故障分析；工作原理；解決措施

中圖分類號：TH137" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0094-04

Abstract： As the key actuator of the electro-hydraulic servo system， the performance stability of the electro-hydraulic servo actuator has an important impact on the servo system and even the flight control system. In the process of product testing， the piston rod is required to move smoothly， but in an engineering example， the jitter of the piston rod of the servo actuator occurs from time to time. Based on the working principle of the electro-hydraulic servo actuator and its components， the problem is analyzed in detail， and some corresponding solutions are put forward.

Keywords： electro-hydraulic servo actuator; piston rod jitter; fault analysis; working principle; solution

伺服作動器是控制系統的執行機構，其根據控制系統的指令信號對能源系統提供的液壓功率進行實時控制，使伺服作動器按照指令信號控制柔性噴管的擺動，實現運載火箭飛行時的俯仰和偏航姿態控制，使箭體按預定軌道準確而穩定地飛行。作為電液伺服系統的關鍵執行機構，電液伺服作動器運動的穩定性對飛行控制系統的工作具有重要影響，產品測試過程中，要求活塞桿伸出及回縮過程中運動平穩，然而在工程實例中，伺服作動器活塞桿抖動問題時有發生，本文結合伺服作動器及其組成部分的工作原理，對故障產生原因進行機理分析，并提出相應的故障處理措施。

1" 電液伺服系統相關概述

1.1" 電液伺服系統的組成和作動器工作原理

本文所述伺服作動器所屬系統為電液位置伺服系統，伺服系統組成主要包括伺服作動器、能源、伺服控制器及測量裝置。其中電液伺服作動器主要由伺服閥、液壓作動器及位移傳感器組成。伺服系統控制回路的組成如圖1所示，伺服作動器的工作原理為：能源（如電機、油泵）為伺服作動器提供液壓能源，伺服控制器接收指令信號和當前伺服作動器所處的位置信號，將二者的差值經過轉換并放大后輸出給伺服閥，伺服閥把電信號轉換并放大為極性和大小受控的負載流量去驅動液壓作動器運動，作動器的位移通過位移傳感器反饋給伺服控制器，當伺服控制器接收到的指令信號和反饋信號相等時伺服閥回復零位，作動器保持在當前的指令位置。

可以看出，伺服閥、位移傳感器、電子盒和伺服控制器是作動器運動控制回路的主要組成部分，外場測試出現作動器活塞抖動問題時，一般先通過替代法排查伺服控制器和電子盒的問題，在二者問題可排除在外的前提下，對結構較為復雜的伺服閥和位移傳感器進行排故分析，因此，需對伺服閥和位移傳感器的結構和原理了解清晰。

1.2" 電液伺服閥的組成和工作原理

電液伺服閥是較為復雜的電液元件，在電液伺服系統中起關鍵作用。噴嘴擋板力反饋兩級電液流量伺服閥結構中，第一級為力矩馬達和噴嘴擋板組成的電液轉換與功率放大部分，第二級為滑閥液壓功率放大部分。其中力矩馬達由永久磁鐵、上下導磁體、控制線圈和銜鐵組件組成，銜鐵組件由銜鐵、彈簧管、擋板和反饋桿組合而成。當控制線圈輸入電流信號時，力矩馬達在固定磁通和控制磁通相互作用下輸出成比例的力矩，該力矩使銜鐵組件以彈簧管為彈性支撐發生偏轉，擋板偏離中位并輸出一定的位移，使得噴嘴擋板可變節流孔液阻發生變化，噴嘴擋板級向閥芯兩端輸入相應負載流量和壓力，驅動閥芯運動。由于反饋桿小球插入閥芯中間，閥芯的運動帶動反饋桿運動，產生反饋力矩。當該反饋力矩與噴嘴擋板液壓力矩及輸入電信號產生的電磁力矩三者達到平衡時，閥芯將停止運動，此時閥芯位移與控制電流相對應，伺服閥輸出一個對應的流量，達到了用電流控制流量的目的。

1.3" 位移傳感器的組成和各部件的作用

位移傳感器用于測量作動器活塞桿位移反饋信號，是實現伺服系統閉環控制的關鍵環節。傳感器主要由電阻組件、刷握組件、座和拉桿等組成（圖2）。

電阻組件包含骨架、電阻體和導電條。骨架起支撐作用；電阻體是樹脂和石墨的混合物，樹脂和石墨按一定配方加入混合溶劑并經球磨成為符合要求的導電液，然后，用噴涂法或印制法噴在絕緣材料做成的骨架上；導電條是為引出信號而專門設立的，為避免使用運動的導線來引出信號，在電阻體旁粘貼一條長條形金屬帶或印制一條銀帶，傳感器的電刷橫跨電阻體和導電條上，將電壓信號引到導電條上。

刷握組件由刷握和導向銷、電刷等組成。刷握用以支撐電刷和導向銷；導向銷在座的槽中滑動，一是起導向、防轉作用，二是使刷握在受振動時，不致因產生過大的上下擺動而影響電刷的接觸可靠性。

座（殼體，上、下蓋板）和拉桿，是安裝電阻組件和連接電刷組件的基礎，使其成為一個整體。

2" 伺服作動器活塞桿抖動問題原因分析

2.1" 伺服作動器活塞桿出現抖動問題的表現

伺服作動器活塞桿抖動問題通常是在產品測試過程中通過異常響聲而發現的，如某產品伺服艙空氣舵出現明顯響聲，排除了測試過程中存在干擾的可能性后，進一步檢查作動器，發現活塞桿在運動過程中存在抖動。也有因測試曲線異常而發現活塞桿抖動問題的情況，某伺服作動器線位移曲線輸出異常的狀態如圖3所示，該曲線顯示作動器運動過程中存在一定幅度的抖動。實際工程實例中，位移曲線抖動的幅度和表現會有差異。

2.2" 活塞桿抖動問題的故障原因分析

2.2.1" 伺服作動器外部因素引起的故障

當作動器活塞桿出現抖動現象時，首先對作動器產品上一級和同級影響因素進行排查，如圖4所示。

1）噴管負載特性差異。噴管作為伺服作動器的負載，其特性的差異對伺服作動器的特性會產生一定的影響，當發動機噴管負載壓差曲線無異常，且其他作動器匹配該發動機噴管負載無異常時，此模式可以排除。

2）測試系統采集問題。更換不同測試系統，當多次采集作動器位移曲線，如幾次測試中均存在曲線不同程度的抖動，說明在不同的測試設備下，伺服作動器線位移抖動現象均存在，則該故障模式可以排除。

3）地面能源問題。地面能源通常需要完成多臺產品的測試，對比其他作動器測試表現，較易排除此模式。

4）干擾問題。對比作動器已完成的不同工位、不同的能源系統及測控系統測試情況，如作動器測試曲線沒有明顯差異，該模式可以排除。

5）伺服控制器問題。當作動器位移和壓差曲線變化、角位移測試曲線變化一致時，可排除伺服控制器引起曲線波動的模式。

6）伺服液壓能源問題。對伺服液壓能源高壓壓力曲線進行檢查，與其他未出現抖動問題作動器所用伺服液壓源的額定工作壓力波動情況進行對比，當波動水平無明顯差異時，該模式可以排除。

7）伺服電纜網問題。對伺服電纜網進行導通、絕緣測試，若測試正常，則此故障模式可以排除。

2.2.2" 伺服作動器內部因素故障分析

從伺服作動器自身結構或者影響作動器運動的元件來分析原因，主要包括作動器活塞桿、驅動作動器運動的伺服閥、活塞桿位移測量及反饋元件線位移傳感器3個方面。問題分析故障樹如圖5所示。

1）活塞桿表面質量問題。當活塞桿的外表面存在劃傷、表面凹坑時，活塞桿運動時輸出的位移曲線會存在波動。可通過分解伺服作動器，檢查活塞桿表面鍍鉻層是否完整、光潔度是否滿足要求來進行該項排查。

2）伺服閥產品問題。由伺服閥產品問題造成作動器活塞桿抖動的情況，主要是由于伺服閥零位不穩定或者閥芯運動卡滯，包括如下幾種情況。

一是銜鐵組件各零件聯接處發生松動。銜鐵組件由銜鐵、彈簧管、擋板和反饋桿組成，通常采用壓裝或焊接的方式聯接成一體，該聯接發生松動時會造成伺服閥的零位不穩定，導致伺服系統的零位補償電流出現隨機的變化，從而造成伺服作動器在定點指令位置附近出現抖動的情況。可以通過伺服閥空載流量曲線測試檢查零位，用手輕觸銜鐵組件，檢查伺服閥零位回復情況是否一致來判斷，不一致則代表銜鐵組件松動，解決措施為更換銜鐵組件。

二是前置級不穩定。前置級不穩定包括銜鐵組件在無指令信號時上下擺動和伺服閥噴嘴腔中位壓力波動，會造成伺服閥零位呈有規律性的正負交替，從而導致作動器靜態位置不穩，產生抖動。前者是由于力矩馬達純剛度偏小，銜鐵組件振動幅度較高且頻率較低時肉眼可觀察到，也可以通過觀察前置級兩腔和負載兩腔壓力表是否穩定來判斷，解決措施是對力矩馬達進行退磁處理；后者是由左右控制噴嘴加工質量差造成的（小孔射流表現散射、斜射、分叉），且噴嘴腔中位壓力波動還會造成銜鐵組件、閥芯的位置不穩定，解決措施為先更換油濾節流孔、平衡阻尼器或者回油阻尼孔，效果不明顯時更換射流質量較好的噴嘴。需要提出的是，當銜鐵組件振動或者噴嘴壓力波動頻率較高時，伺服閥可能出現嘯叫并導致作動器兩腔出現壓差自振。

三是反饋桿小球與閥芯配合松動。反饋桿端部的小球與伺服閥閥芯中部的環槽采用精密的微小間隙配合使得閥芯運動的同時帶動反饋桿產生變形，從而實現力反饋回路。當反饋桿小球出現明顯磨損后，小球與閥芯環槽的間隙變大，則力反饋回路在零位附近（閥芯換向位置）處于開環狀態，導致伺服閥的零位出現波動，最終導致作動器活塞桿往復竄動現象。檢查反饋桿小球表面質量與閥芯配合情況，當小球表面無磨損痕跡，且在光滑平面上，反饋桿垂直閥芯軸線沿水平方向拖動時，閥芯能夠滑動，則可以排除此故障模式。此種故障的解決措施為重配反饋桿小球，更換銜鐵組件。

四是伺服閥閥芯運動卡滯。伺服系統自身是一個動態平衡的過程，通過伺服閥閥芯在閥套中運動的輸出流量控制伺服作動器的位移。當閥芯或閥套零件存在毛刺，或者配合表面存在高點，以及因高溫產生形變等情況時，伺服閥滑閥副運動將出現卡滯的情況，閥芯位移變化連續性變差，從而導致輸出流量連貫性變差， 導致作動器活塞桿位移曲線表現出爬行甚至抖動的情況。復測伺服閥分辨率，分解伺服閥，檢查不同角度下閥芯在閥套內的運動靈活性，當分辨率較大，靈活性相對較差時，則該類故障不可排除。解決措施為滿足伺服閥靜耗量要求和間隙值要求前提下返修閥芯、閥套或重配閥芯、閥套。

3）位移傳感器產品問題。線位移傳感器用于測量活塞桿位移反饋信號，作為伺服系統的反饋元件，其輸出信號穩定性很關鍵，若位移反饋信號跳變，則與指令信號比較后經伺服放大器放大的控制信號也就疊加了跳變的信號，饋入系統回路后導致作動器抖動。通常情況下，位移傳感器輸出異常時，解決措施是更換位移傳感器。該問題發生的原因包括以下幾種情況。

一是電阻膜或導電條表面存在缺陷。傳感器的刷握組件裝在作動器活塞桿上隨作動器活塞桿運動，刷握組件的電刷分2個部分，一部分在電阻膜上滑動，另一部分在導電條表面滑動，若位移傳感器電阻膜或導電條與電刷接觸的運動軌跡表面存在凹凸不平的缺陷，則會導致電刷在行進中產生跳動，輸出電壓不連續，經伺服控制回路放大后，造成作動器活塞桿運動不平穩。在高倍顯微鏡下分別檢查電阻膜和導電條，檢查表面是否有明顯的缺陷，電刷的運動軌跡是否連續，復測電阻膜的阻值和線性是否滿足技術條件要求，若檢查過程均無異常，則可排除位移傳感器電阻膜或導電條表面存在缺陷造成活塞桿抖動的原因。

二是電刷散絲。位移傳感器電刷散絲會造成電刷接觸電阻變化，引起系統運動不平穩甚至出現抖動。檢查傳感器電刷刷絲，若無散絲現象，可排除電刷的影響。

三是刷握導向銷偏斜。刷握導向銷偏斜時，活塞桿運動過程中，導向銷與導向槽內壁接觸摩擦，傳感器刷握運動不平穩，會使得電刷在板片上運動不連續，輸出不連續的位移反饋信號，最終導致作動器活塞桿運動不平穩。可在單工位負載臺上進行循環排氣，檢查導向銷有無偏斜，運動是否平穩，導向槽側壁是否有明顯劃痕，若無異常可排除導向銷的影響。

3" 結束語

本文從伺服閥作動器的工作原理及影響活塞桿運動性能的各個環節出發，給出了活塞桿抖動問題產生的幾種原因，進行了詳細的故障模式分析，并給出了一些解決措施。

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