摘要：采用AMEsim軟件對閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓過程進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究，解釋了伺服閥前置級油濾納垢程度與伺服閥靜耗量以及系統(tǒng)泄壓時(shí)間的影響關(guān)系。提出可以將閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時(shí)間作為伺服閥油濾納垢程度的一種新的表征方式，監(jiān)控電液伺服系統(tǒng)的健康程度。

0引言

    伺服閥是電液伺服系統(tǒng)的核心元件。伺服系統(tǒng)的很多故障是由于伺服閥失效引起的，其中有70%~80%的伺服閥失效是由油液污染導(dǎo)致的[1]。伺服閥是一種精密的電液元件，其前置級液壓放大器典型工作間隙在0.02mm左右，最易受油液污染而失效；由于絕對過濾精度較高（航天產(chǎn)品一般為10um），對污染度也十分敏感，一般在前置級前端設(shè)置油濾。航天領(lǐng)域電液伺服系統(tǒng)多采用閉式設(shè)計(jì)，本文通過AMEsim仿真分析和試驗(yàn)研究，提出可以將其泄壓時(shí)間作為伺服閥油濾納垢程度的一種新的表征方式，監(jiān)控潔凈程度，在其堵塞前替換，確保任務(wù)執(zhí)行的可靠性。

1泄壓過程的機(jī)理分析

    某航天電液伺服系統(tǒng)工作原理如圖1所示，采用閉式設(shè)計(jì)，包括：一臺系統(tǒng)控制器、一臺電動液壓能源和兩臺伺服作動器。

圖1電液伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)原理

1—電動液壓能源；1.1—柱塞泵；1.2—直流電機(jī)；1.3—壓力傳感器；

1.4—高壓油濾；1.5—快卸充氣嘴；1.6—蓄能器；1.7—油箱；

1.8—低壓安全閥；1.9—高壓安全閥；1.10—單向閥；2—伺服作動器；

2.1—伺服閥；2.2—壓差傳感器；2.3—位移傳感器；3—系統(tǒng)控制器

    在電動液壓能源斷電后，高壓部分的液壓油（虛線部分）通過伺服閥的間隙返回低壓部分，直至高壓部分的壓力下降到與低壓部分相同，整個(gè)過程的時(shí)間稱為泄壓時(shí)間，可以通過測試曲線進(jìn)行監(jiān)測，泄壓過程原理如圖2所示。

圖2電液伺服系統(tǒng)非工作狀態(tài)原理

1—電動液壓能源；1.1—蓄能器；1.2—郵箱；2—伺服作動器；

2.1—伺服閥；2.2—壓差傳感器；2.3—位移傳感器

    將兩個(gè)伺服閥間隙簡化為一個(gè)阻尼孔，單一考慮伺服閥對系統(tǒng)泄壓過程的影響，建立AMEsim仿真模型如圖3所示[2]。

圖3泄壓過程簡化模型

    仿真結(jié)果表明當(dāng)只考慮伺服閥對泄壓時(shí)間的影響時(shí)，泄壓的速度與伺服閥的靜耗量成正比[3]，仿真曲線對比如圖4所示。

圖4伺服閥靜耗量與系統(tǒng)泄壓時(shí)間關(guān)系

    伺服閥的靜耗量是在負(fù)載兩腔關(guān)閉情況下測量從供油到回油的流量，是其內(nèi)部工作間隙的綜合表達(dá)，包括功率級和前置級，測試曲線如圖5所示。

圖5伺服閥靜耗量曲線示意

    功率級部分貢獻(xiàn)的伺服閥靜耗量雖然隨著伺服閥工作電流變化，但其構(gòu)成比較簡單，主要是滑閥副工作間隙引起，計(jì)算公式為

    經(jīng)計(jì)算，某型伺服閥供油壓力為16MPa、回油壓力為0時(shí)，伺服閥的功率級靜耗量約為0.26L/min。隨著伺服閥工作時(shí)間加長，滑閥副磨損，包括配合間隙、搭接量、節(jié)流邊圓角等等，零位流量-壓力放大系數(shù)增大，此部分的靜耗量只會增大[5]。

伺服閥前置級相對復(fù)雜，其工作原理如圖6所示。

圖6伺服閥前置級工作原理示意

    液流通道中有噴嘴-擋板、回油阻尼孔、供油節(jié)流孔和油濾等，此部分對靜耗量的貢獻(xiàn)比較固定，可以等效為一個(gè)固定節(jié)流孔，計(jì)算公式為

    正常情況下系統(tǒng)前置級靜耗量受噴嘴-擋板處的節(jié)流影響最大。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)伺服閥供油壓力為16MPa、噴嘴控制腔的壓力為7MPa時(shí)，伺服閥的前置級靜耗量約為0.30L/min。油濾由于在伺服閥內(nèi)部，體積較小，絕對過濾精度又高，如果因納入足夠的微小顆粒而嚴(yán)重堵塞，會成為流道中最小的節(jié)流環(huán)節(jié)，從而顯著降低靜耗量[7]。

2試驗(yàn)研究

    測試20套伺服系統(tǒng)的泄壓時(shí)間如圖7所示，其中1臺泄壓時(shí)間為15s，顯著大于其他的泄壓時(shí)間，表明有異常。

圖720臺伺服系統(tǒng)磨合后泄壓時(shí)間曲線

    對該臺伺服系統(tǒng)進(jìn)行問題分析。首先對伺服系統(tǒng)原配套的兩臺伺服閥進(jìn)行更換，泄壓時(shí)間恢復(fù)正常。將原配套的兩臺伺服閥進(jìn)行靜耗量測試[8]（供油壓力為16MPa），功率級靜耗量為0.29L/min和0.26L/min，與驗(yàn)收數(shù)據(jù)0.29L/min和0.24L/min相比還少有增加；前置級靜耗量卻為0.2L/min和0.23L/min，比驗(yàn)收數(shù)據(jù)的0.34L/min和0.34L/min相比增加了50%以上，表明有異常。正常情況下，伺服閥前置級油濾的節(jié)流壓降非常小，通常忽略不計(jì)。但是，當(dāng)因納入足夠多的微小顆粒而嚴(yán)重堵塞時(shí)，油濾的節(jié)流壓降可能達(dá)到4.5MPa。此時(shí)，伺服閥的前置級靜耗量會減小約30%。

    若回油阻尼孔、節(jié)流孔或噴嘴-擋板等發(fā)生堵塞，伺服閥零位偏差會顯著增大。測試零偏電流為0.08A和0.07A，與驗(yàn)收數(shù)據(jù)中的0.1A和0.1A相比更好，可以排除。因此，判斷油濾發(fā)生堵塞。

檢查油濾組件，發(fā)現(xiàn)其局部附著黑色膠狀物質(zhì)，對該物質(zhì)成分進(jìn)行分析并使用光譜成份分析，該物質(zhì)主要由聚四氟乙烯和橡膠兩類物質(zhì)組成，尺度在100~300um，判斷是該伺服系統(tǒng)中的密封圈因運(yùn)動摩擦脫落而產(chǎn)生的碎屑。更換兩臺伺服閥的油濾，測試靜耗量恢復(fù)正常，伺服系統(tǒng)泄壓時(shí)間也恢復(fù)正常。

3結(jié)論

    通過仿真和試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)伺服閥前置級油濾納垢程度顯著影響閉式電液伺服系統(tǒng)泄壓時(shí)間。因此，可以將泄壓時(shí)間作為一種新的表征伺服閥前置級油濾納垢程度的方式，如果發(fā)現(xiàn)明顯增加，可以替換油濾，確保伺服系統(tǒng)正常工作。