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闭式液压伺服系统泄压过程相关性研究

2019年05月05日 17:28:50 565net亚洲必赢:北京精密机电控制设备研究所汤力,魏伊,袁克敌,杨艳

摘要:采用AMEsim软件对闭式电液伺服系统泄压过程进行仿真和试验研究,解释了伺服阀前置级油滤纳垢程度与伺服阀静耗量以及系统泄压时间的影响关系。提出可以将闭式电液伺服系统泄压时间作为伺服阀油滤纳垢程度的一种新的表征方式,监控电液伺服系统的健康程度。

0引言

伺服阀是电液伺服系统的核心元件。伺服系统的很多故障是由于伺服阀失效引起的,其中有70%~80%的伺服阀失效是由油液污染导致的[1]。伺服阀是一种精密的电液元件,其前置级液压放大器典型工作间隙在0.02mm左右,最易受油液污染而失效;由于绝对过滤精度较高(航天产品一般为10um),对污染度也十分敏感,一般在前置级前端设置油滤。航天领域电液伺服系统多采用闭式设计,本文通过AMEsim仿真分析和试验研究,提出可以将其泄压时间作为伺服阀油滤纳垢程度的一种新的表征方式,监控洁净程度,在其堵塞前替换,确保任务执行的可靠性。

1泄压过程的机理分析

某航天电液伺服系统工作原理如图1所示,采用闭式设计,包括:一台系统控制器、一台电动液压能源和两台伺服作动器。

微信截图_20190505172427.png

图1电液伺服系统工作状态原理

1—电动液压能源;1.1—柱塞泵;1.2—直流电机;1.3—压力传感器;

1.4—高压油滤;1.5—快卸充气嘴;1.6—蓄能器;1.7—油箱;

1.8—低压安全阀;1.9—高压安全阀;1.10—单向阀;2—伺服作动器;

2.1—伺服阀;2.2—压差传感器;2.3—位移传感器;3—系统控制器

在电动液压能源断电后,高压部分的液压油(虚线部分)通过伺服阀的间隙返回低压部分,直至高压部分的压力下降到与低压部分相同,整个过程的时间称为泄压时间,可以通过测试曲线进行监测,泄压过程原理如图2所示。

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图2电液伺服系统非工作状态原理

1—电动液压能源;1.1—蓄能器;1.2—邮箱;2—伺服作动器;

2.1—伺服阀;2.2—压差传感器;2.3—位移传感器

将两个伺服阀间隙简化为一个阻尼孔,单一考虑伺服阀对系统泄压过程的影响,建立AMEsim仿真模型如图3所示[2]。

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图3泄压过程简化模型

仿真结果表明当只考虑伺服阀对泄压时间的影响时,泄压的速度与伺服阀的静耗量成正比[3],仿真曲线对比如图4所示。

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图4伺服阀静耗量与系统泄压时间关系

伺服阀的静耗量是在负载两腔关闭情况下测量从供油到回油的流量,是其内部工作间隙的综合表达,包括功率级和前置级,测试曲线如图5所示。

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图5伺服阀静耗量曲线示意

功率级部分贡献的伺服阀静耗量虽然随着伺服阀工作电流变化,但其构成比较简单,主要是滑阀副工作间隙引起,计算公式为

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经计算,某型伺服阀供油压力为16MPa、回油压力为0时,伺服阀的功率级静耗量约为0.26L/min。随着伺服阀工作时间加长,滑阀副磨损,包括配合间隙、搭接量、节流边圆角等等,零位流量-压力放大系数增大,此部分的静耗量只会增大[5]。

伺服阀前置级相对复杂,其工作原理如图6所示。

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图6伺服阀前置级工作原理示意

液流通道中有喷嘴-挡板、回油阻尼孔、供油节流孔和油滤等,此部分对静耗量的贡献比较固定,可以等效为一个固定节流孔,计算公式为

2去.png

PCO为喷嘴控制腔的压力。[6]

正常情况下系统前置级静耗量受喷嘴-挡板处的节流影响最大。经计算,当伺服阀供油压力为16MPa、喷嘴控制腔的压力为7MPa时,伺服阀的前置级静耗量约为0.30L/min。油滤由于在伺服阀内部,体积较小,绝对过滤精度又高,如果因纳入足够的微小颗粒而严重堵塞,会成为流道中最小的节流环节,从而显著降低静耗量[7]。

2试验研究

测试20套伺服系统的泄压时间如图7所示,其中1台泄压时间为15s,显著大于其他的泄压时间,表明有异常。

 7.png

图720台伺服系统磨合后泄压时间曲线

对该台伺服系统进行问题分析。首先对伺服系统原配套的两台伺服阀进行更换,泄压时间恢复正常。将原配套的两台伺服阀进行静耗量测试[8](供油压力为16MPa),功率级静耗量为0.29L/min和0.26L/min,与验收数据0.29L/min和0.24L/min相比还少有增加;前置级静耗量却为0.2L/min和0.23L/min,比验收数据的0.34L/min和0.34L/min相比增加了50%以上,表明有异常。正常情况下,伺服阀前置级油滤的节流压降非常小,通常忽略不计。但是,当因纳入足够多的微小颗粒而严重堵塞时,油滤的节流压降可能达到4.5MPa。此时,伺服阀的前置级静耗量会减小约30%。

若回油阻尼孔、节流孔或喷嘴-挡板等发生堵塞,伺服阀零位偏差会显著增大。测试零偏电流为0.08A和0.07A,与验收数据中的0.1A和0.1A相比更好,可以排除。因此,判断油滤发生堵塞。

检查油滤组件,发现其局部附着黑色胶状物质,对该物质成分进行分析并使用光谱成份分析,该物质主要由聚四氟乙烯和橡胶两类物质组成,尺度在100~300um,判断是该伺服系统中的密封圈因运动摩擦脱落而产生的碎屑。更换两台伺服阀的油滤,测试静耗量恢复正常,伺服系统泄压时间也恢复正常。

3结论

通过仿真和试验研究,发现伺服阀前置级油滤纳垢程度显著影响闭式电液伺服系统泄压时间。因此,可以将泄压时间作为一种新的表征伺服阀前置级油滤纳垢程度的方式,如果发现明显增加,可以替换油滤,确保伺服系统正常工作。

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