摘要：為滿足某型電液伺服系統(tǒng)的交付要求，針對該產品生產任務存在時間緊任務重的特點，開展了提高產品生產效率的技術研究。采用5W1H和ECRS方法對產品生產工序進行分析，優(yōu)化了工藝合理安排產品生產流程，同時在確保產品質量的基礎上，優(yōu)化設計要求，提高了產品生產一次合格率，確保了產品按時交付。上述改進措施具有較強的通用性，也能適用于同類伺服產品，具有較好的推廣應用前景。

0引言

    電動液壓伺服在我國的研究開始于1970年左右。電動液壓伺服的研究主要從兩個方面展開：電動液壓伺服配套基礎元件的研究，包括伺服閥、液壓缸、伺服電機、液壓泵等；電動液壓伺服控制算法與應用技術的研究。本世紀以來，電動液壓伺服的研究無論是從系統(tǒng)還是從元件方面均取得了顯著成果。

某型電動液壓伺服系統(tǒng)技術特點

    某型航天飛行器用閉式電動液壓伺服系統(tǒng)是上層系統(tǒng)的執(zhí)行機構，根據(jù)研制初期任務要求，在飛行器動力飛行段擺動大慣量-低載荷的燃氣舵負載，實現(xiàn)發(fā)動機低工況推力矢量控制；在飛行器慣性飛行段及滑翔飛行段擺動小慣量-高載荷的空氣舵負載，實現(xiàn)飛行器體高工況空氣動力控制；以此實現(xiàn)飛行器全程在大氣層內長時間飛行時的兩種復合姿態(tài)控制功用。其工作原理如圖1所示，包括：伺服控制驅動器一臺、電動液壓動力能源一臺和活塞式活塞式伺服作動器兩臺[1]。

1—電動液壓動力能源；1.1—變量柱塞泵；1.2—直流無刷電機；1.3—液壓力傳感器；1.4—高壓油濾；1.5—可快卸充氣嘴；1.6—氦氣蓄能器；1.7—液壓油箱；1.8—低壓安全閥；1.9—高壓安全閥；1.10—單向閥；2—活塞式伺服作動器；2.1—噴嘴擋板伺服閥；2.2—壓差傳感器；2.3—線位移傳感器；3—伺服控制驅動器

圖1電動液壓伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)原理

該型電動液壓伺服系統(tǒng)技術特點為：

1）雙模姿控執(zhí)行的伺服機構設計技術：綜合采用總體參數(shù)優(yōu)化設計、動力控制元件適應性設計、控制策略優(yōu)化設計等技術實現(xiàn)了上級對伺服機構的功能及性能要求。

2）高度緊湊結構設計技術：創(chuàng)造性地采用V型結構布置，一拖二設計（即一套電動液壓能源驅動兩臺伺服作動器；能源與作動器之間的液路連接采用板式連接橋型結構，取消了當時其他電液伺服機構所采用的液壓軟管），滿足狹小環(huán)帶安裝要求。同時采用了互換性設計，每發(fā)飛行器采用兩套伺服機構，此兩套伺服機構完全相同，簡化了伺服備份配置的壓力；在伺服機構設計過程中，電動液壓能源的設計保證了與兩個作動器的安裝接口完全一致，兩個作動器與能源的機械、電氣接口完全一致，可互換。

3）高比功率伺服機構功率匹配設計技術：根據(jù)實際使用需求特點，在優(yōu)化包絡任務全部工況控制指令及負載力矩的適應能力基礎上，使能源功率儲備與負載特性更恰當匹配，提高了伺服機構功率利用效率，將峰值功率及額定功率的比值由3倍提升到4倍，即采用1.5kW額定功率規(guī)模的伺服機構在較短時間內滿足6kW較大規(guī)模的負載功率需求。

4）元件小型化設計技術：成功開發(fā)應用了新型電動機具有功率大（2.5kW，較平均水平提高33.3%）、功率質量比大（0.56kW/kg，較平均水平提高40%）、-50℃～+250℃寬溫域適應能力（平均水平：-40℃～+200℃）、高真空適應能力（0.0001Pa，較平均水平提高10倍）、可靠性高（可靠性指標由0.99996提高到0.99998）等技術特點，是一型高比功率、高可靠、環(huán)境適應能力強的新型永磁直流電動機[2]。成功開發(fā)應用的新型伺服閥具有靜耗量低（0.7L/min，較平均水平降低10%），動態(tài)高（相頻寬為70Hz，較平均水平提高40%），調試合格率高等特點（裝調合格率≥95%，較平均水平提高55%）等技術特點，是一型結構緊湊、性能指標先進、環(huán)境溫域適應能力強的新型雙噴嘴-擋板伺服閥。

基于生產流程的技術改進

2.1伺服閥技術改進

    伺服閥是伺服系統(tǒng)的核心控制元件，在系統(tǒng)中起著電液轉換和功率放大的作用，其性能直接影響系統(tǒng)的性能，是伺服系統(tǒng)中的關鍵元件。目前，某型噴嘴擋板伺服閥，產品一次交付合格率較低，僅達到30%左右，主要表現(xiàn)為靜耗量偏大、壓力增益低、高溫卡滯、噴嘴體流量配對合格率低等問題。而且，殼體加工周期較長，不利于批量生產。因此，需要研制一種新的噴嘴擋板伺服閥，通過結構及參數(shù)優(yōu)化，以提高伺服閥一次交付合格率，滿足批量生產。

    對于流量為15L/min的伺服閥而言，動態(tài)幅頻指標要求大于70Hz，相頻指標要求大于40Hz，而靜耗量小于0.7L/min。影響靜耗量的主要因素有噴嘴直徑大小、閥芯閥套間隙等結構參數(shù)。動態(tài)響應的快慢主要取決于噴嘴直徑大小、彈簧管剛度等綜合因素。噴嘴直徑越小，靜耗量會越小，但動態(tài)響應越低。伺服閥的靜耗量和動態(tài)響應是一對相互制約的性能指標。因此，也需要對動態(tài)響應和靜耗量的影響因素進行分析。

    伺服閥的功能原理如圖2所示[3]。其中，力矩馬達包括銜鐵組件、磁鋼、導磁體和線圈；前置級液壓放大器為節(jié)流孔—噴嘴擋板式結構；功率級液壓放大器包括閥芯閥套。

圖2伺服閥功能原理圖

    為解決目前伺服閥的相關問題，新研制的噴嘴擋板伺服閥采用較多的結構優(yōu)化，如圖3所示。

1—閥套；2—殼體；3—底座；4—噴嘴體；5—銜鐵組件；6—節(jié)流組件

圖3伺服閥結構示意圖

    由圖3可知，伺服閥的結構包括三部分，即力矩馬達、前置級液壓放大器和功率級液壓放大器。綜合考慮各種因素，對結構進行了優(yōu)化設計：

1)噴嘴體結構：噴嘴體采用分體式結構，工藝性好，有利于清除孔內毛刺。噴嘴堵塞時，可取出堵頭進行清洗，易于調試、維修。

2)節(jié)流組件結構：一般情況下，伺服閥的兩個節(jié)流孔與油濾通過焊接連接在一起，形成節(jié)流組件。但是，高溫焊接易引起配對的兩個節(jié)流孔流量特性發(fā)生不對稱改變，導致焊接后的流量配對合格率大大降低。因此，節(jié)流組件采取分體式結構，即分為油濾組件和節(jié)流孔兩部分。不僅提高了節(jié)流組件的合格率，也提高了機加工藝性。

3）閥套結構：閥套采取帶密封圈的結構形式，可以吸收高溫時閥套的變形，以解決閥芯的高溫卡滯問題。同時，閥套的節(jié)流窗口為對稱分布的二窗口。對于相同的節(jié)流窗口面積梯度，二窗口的方孔比四窗口的方孔的寬度多一倍。這樣，易于去處節(jié)流邊的毛刺，有利于提高節(jié)流窗口的平面度，以提高伺服閥的零位特性。

4）殼體結構：伺服閥的上、下殼體分離，安裝噴嘴體的上殼體被稱為底座。底座與殼體的分離，有利于調試前置級液壓放大器的零位。而且，使底座、殼體可以采用不同的材料成為可能。為降低生產成本，殼體材料采用鋁2A14。經過仿真軟件Ansys分析[4]，在通油壓力16MPa時，殼體的最大應力為122.7MPa，滿足強度要求，如圖4所示。這樣，即可以降低殼體的重量，又易于加工，從而縮短伺服閥的制造周期，降低生產成本。與相應的鋼殼體相比，伺服閥的生產周期由13個月降低到6個月，能夠較好地適合伺服閥的大批量生產。

圖4殼體的應力分布圖

2.2位移傳感器技術改進

    該型位移傳感器是兩冗余的直線、接觸式、帶中心抽頭的合成膜電位計，主要由骨架、電阻體、導電條、刷握和電刷等組成。

在電阻體兩端分別施加正負直流電源，同時在零位位置設置中心抽頭（即電源地），電刷在電阻體和導電條上滑動，實現(xiàn)測量正負線位移的功能。正負電源和接地導線由鉚釘連接，鉚釘與電阻體間由導電銀帶連接。為了提高可靠性，將兩個位移傳感器電阻片分別安裝于伺服作動器殼體兩邊，將兩組正負電源及地端分別引出，位移傳感器輸出信號并聯(lián)使用。反饋電位計是一種把線位移或角位移轉換成一定函數(shù)關系的電阻或電壓輸出的傳感元件。線性電位計的理想空載特性曲線應具有嚴格的線性關系[5]，如圖5所示。

圖5位移傳感器工作原理圖

    為滿足位移傳感器交付要求，主要采取了優(yōu)化工藝合理安排產品生產流程，在確保產品質量的基礎上優(yōu)化設計要求提高生產效率等措施，確保產品按時交付。

    在實際生產過程中要求對電氣行程指標進行測量，并有明確數(shù)值要求，在測試時必須給出實測數(shù)據(jù)，但是大部分產品電氣行程指標不滿任務書要求，存在超差。

    電氣行程指標超差和不易控制的主要原因是在實際生產過程中產品的線性度指標、電阻值指標和電氣行程指標均相互制約，為了滿足線性度指標和電阻值指標要求，就無法很好地控制產品電氣行程指標，降低了產品一次裝調合格率，嚴重影響產品生產效率，同時隨著近年型號批產和整修任務的增加，產品交付的數(shù)量呈上升趨勢，上述問題日益嚴重，制約產品交付進度，應在確保整機控制精度、兼顧產品線性度、總阻值的前提下，將產品的電氣行程公差更改為±0.5mm。

    在實際生產過程中，產品的線性修刻采用電橋法（恒壓源法）或恒流源法，以上兩種修刻方法都是保證單位行程內的阻值為固定值，即將單位行程內的阻值修刻到名義電阻值，而名義電阻值=總電阻/名義電氣行程，與電氣行程公差無關。因此，產品電氣行程公差要求的更改便于產品本身線性度指標和電阻值指標的實現(xiàn)，并且不影響伺服機構配套使用。

    分體式位移傳感器生產一共可分為電阻噴涂、電阻組件裝配、電刷制作、刷握裝配、調試篩選和質量一致性檢六大工序。質量一致性檢驗是判斷出廠產品功能和性能的關鍵步，而且其檢測項目和內容均有明確要求，無改善余地。而刷握組件結構較簡單，生產流程單一，工序較少，并且采用專用工裝進行，優(yōu)化空間不大。同時在實際生產過程中發(fā)現(xiàn)，電阻組件的生產裝配時間最長，分為電阻片裝配和電阻組件裝配。

    為消除等待節(jié)約時間，對電阻組件生產工序進行優(yōu)化，采用5W1H和ECRS方法對生產工序進行分析[6]，采取了以下措施：

1）提前進行電阻膜制備。電阻膜的制備需要時間為7天，在裝配測試過程中占有較大比例，由于此項工序與電阻組件的裝配相對獨立、制作成本低，且在多品種傳感器上均有應用，不會發(fā)生庫存浪費現(xiàn)象，因此可以大批量提前生產，如有需求，可隨時領用。

2）消除等待時間。等待時間包括等待操作者上崗時間和等待機器運行時間。改善前，在生產任務下發(fā)給調度人員后，調度按照時間節(jié)點將任務下發(fā)給指定操作者，如操作人員正在進行其他產品的裝配任務，則需要等待此操作者上崗。在裝配過程中產品會使用到高低溫箱、探傷設備、測試設備等，同樣需要消耗等待時間。改善后，在生產任務下發(fā)給調度人員后，調度按照各類產品交付時間節(jié)點提前制定生產計劃，填寫“特殊崗位人員上崗時間安排表”和“設備使用時間排序表”，張貼在生產現(xiàn)場，使特殊崗位人員提前安排上崗時間，使各實驗臺和測試臺合理安排各項任務，避免裝配過程中造成停滯[6]。

3）隨著項目批產任務的啟動，伺服機構配套位移傳感器產品生產任務程逐年遞增趨勢。以往的手工電位計修刻測試臺，有效行程短，測試精度低，操作者勞動強度大，生產效率低，已不能滿足批生產的要求。因此，為適應新時期、新形勢產品研制需要，改進產品修刻工藝性，提高產品使用精度和生產自動化程度，采購了高精度自動修刻測試設備，不僅緩解了操作者勞動強度，同時該設備具有防愚措施，避免了由于人為操作造成的失誤，提高了電位計電阻膜修刻質量及效率。

4)充分利用生產中的空閑的時間。電位計生產過程中電阻噴涂過程中，球磨等過程雖然需要人員看守，但雙手屬于空閑狀態(tài)，屬于動作的浪費。原來順序進行的工序，其部分流程為；樹脂配制；密閉放置；原料去濕；球磨；骨架準備；電阻噴涂。現(xiàn)將不干涉的工序，調整為并序進行，其流程為：樹脂配置；密閉放置-球磨/原料除濕-骨架準備；電阻噴涂。以減少雙手空閑的浪費。

同樣在電刷制作工序中，順序中的晾干屬于雙手動作空閑的浪費，將其與準備工裝進行并序，充分利用空閑時間。

2.3永磁直流電機技術改進

    為減小電機重量，根據(jù)航天驅動電機短時工作制、允許較高溫升的特點，采取了高轉速化、高電流密度化、高功率密度化設計，加上飛行過程中電機處于高真空、大熱流等惡劣環(huán)境下，最終使得電機溫升較高。而在這種條件下，一方面惡劣的換向條件容易使電刷裝置和換向器產生局部高溫，從而影響電機可靠性[7]；另一方面，溫度升高會導致電機效率下降。因此，如何在有限的空間內提高電機效率、降低發(fā)熱、提高電刷裝置的耐高溫能力成為航天用大功率永磁直流電動機可靠性設計的關鍵技術和設計難點。

1）電磁設計時，分別從“路”和“場”的理念出發(fā)，設計電機磁路，對電磁場、溫度場進行有限元分析，并綜合考慮仿真分析結果，優(yōu)化磁路設計和溫升設計。在允許的安裝空間內，增大電樞直徑、增大繞組截面積，減少電樞繞組銅損耗，從而提高效率，降低電負荷和電流密度，減少發(fā)熱。

2）選用高性能第二代釤鈷永磁體作為電機勵磁磁極[8]，進一步提高了磁極的耐高溫能力和抗去磁能力，同時有效減小了電機體積。

3）結構設計：電機主要由定子、轉子（電樞）、刷架、換向器等組成，如圖6所示。定子永磁磁極進行勵磁，通過換向器和電刷的配合來實現(xiàn)外部電路與電樞電路的連接，通以電流的電樞在永磁磁極產生的氣隙磁場中產生電磁轉矩，驅動電樞旋轉，從而輸出機械能，實現(xiàn)了機電能量的轉換。

圖6電機結構示意圖

    根據(jù)電機結構和功能，開展故障模式及影響分析（FMEA），識別出單點失效模式，針對失效模式和可靠性關鍵環(huán)節(jié)，提出如下措施：

1）電刷連接環(huán)選用耐高溫、高韌性及強度優(yōu)等性能優(yōu)良的材料，可提高成品合格率、縮短制造周期。另外，在其圓周上設計直流供電導線環(huán)槽，消除了由于內部走線造成導線交叉短路的隱患。

2）換向器采用無毒害的銀銅材料塑壓一體工藝，減少了加工工序，提高了零件合格率。

3）嚴格控制換向火花產生：如加嚴電刷彈簧彈力一致性、增大電刷與換向器接觸面積、帶載磨合等，使其在熱真空、大熱流條件可靠運行。

3）采用繞組和換向器同時、多次真空壓力浸漆的浸漆技術，進一步提高了電樞絕緣結構的可靠性。

4）軸系采用波形彈簧，通過合理設計軸向竄動量，提高軸向載荷承受能力和工作壽命，進而提高其可靠性。

利用ANSYSRmxprt和Maxwell電磁場分析軟件進行復核復算。有限元分析結果曲線見圖7~圖9。

圖7轉矩曲線

圖8轉速曲線

圖9電機電流轉矩特性和效率實測曲線

    從計算和測試結果可以看出：（1）電機具有較寬的高效率特性，即在較寬的負載扭矩范圍內，電機效率可維持在75%以上。在額定力矩2.7N.m下，電機效率在78%～82%。（2）電機功率密度較高。在額定電壓下，輸出功率約為1.8kW，在42V高電壓工作狀態(tài)下，輸出功率高達2kW，實測電機重量僅為3.86kg。（3）電機具有良好的工作特性，不僅具有硬的機械特性、線性的調節(jié)特性，即當扭矩變化時轉速變化不大。（4）電機具有優(yōu)良的動態(tài)性能，起動轉矩高達19N.m，起動時間約20ms～30ms，200ms左右進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。在伺服系統(tǒng)整機測試起動時，電機起動時間不超過20ms。實測結果與理論設計吻合良好。

結論

    經過十余年的研制，某型電動液壓伺服系統(tǒng)經過了數(shù)個階段的發(fā)展，目前已形成了具有一定生產規(guī)模的成熟的伺服產品。技術改進方案提高了產品的一次交付合格率并經過質量一致性檢驗，為該項目的穩(wěn)步進行和交付用戶起到了重要作用，同時本文采取的技術改進措施可在同類電液伺服系統(tǒng)組件推廣應用。為同類伺服產品提供了一種可行的設計方法。