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電液伺服閥調試過程關鍵點控制方法

KYY (快易優) 2019/7/30 16:27:01

電液伺服閥是電液伺服系統的關鍵元件和接口,具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大、結構緊湊等許多優點,已被廣泛應用于軍事工業和其他工業控制領域。伺服閥調試過程作為整個生產周期的最后環節,其關鍵環節質量控制對于保證伺服閥動、靜態性能,提高工作穩定性和可靠性具有十分重要的意義。

1. 伺服閥工作原理

電液伺服閥是電液伺服控制系統中的重要控制元件,在系統中起著電液轉換和功率放大作用,它能將小功率的電信號轉變為閥的運動,從而實現對液壓伺服系統執行器的流量以及壓力控制[1]。

以在工程領域廣泛應用的兩級電液伺服閥為例,伺服閥一般由力矩馬達、前置級液壓放大器和功率級滑閥組成。圖1和圖2分別為噴嘴擋板型、偏導射流型電液伺服閥原理圖。力矩馬達由永久磁鐵、導磁體、線圈及彈簧管、銜鐵、反饋桿、擋板等組成,反饋桿小球插在閥芯中間的槽內;前置級液壓放大器由節流孔、噴嘴(或射流盤)、回油阻尼器等組成。

當線圈輸入控制電流信號時,產生電磁力矩,使銜鐵帶動與其剛性聯接的擋板產生偏轉。兩噴嘴腔壓差改變時,閥芯即在壓差驅動下作用,帶動小球運動使彈性反饋桿變形,從而向銜鐵組件施加一個反饋力矩,直到這個反饋力矩與力矩馬達的電磁力矩平衡,銜鐵停留在某個相應的偏轉角上。此時反饋桿的變形使擋板被部分地拉回中位,最終閥芯的驅動力與液動力平衡,閥芯停留在相應的位移上,此時伺服閥輸出一個對應的流量,實現了由控制電流對輸出流量的控制[1]。

2. 伺服閥調試過程關鍵環節及其

控制方法

伺服閥作為高精度、高靈敏度的液壓控制元件,要求具備較好的靜態和動態特性以及穩定性,而伺服閥的結構復雜性,也決定了調試過程的精細化,為了保證伺服閥性能滿足要求,需要在調試過程中對影響整閥動、靜態性能的關鍵環節進行識別并加以控制,伺服閥調試過程中的關鍵環節主要有如下幾點。

2.1  油路沖洗

目前航天使用的電液伺服閥,為適應航天型號重量輕、安裝空間小、工作環境惡劣的需求采取集成、緊湊的結構設計,其中節流孔、射流盤等核心組件尺寸小,具有精密微小孔和微小型腔結構特征,如圖3、圖4所示,尺寸一般在0.10~0.80mm之間;閥套類零件則為精密深孔且具有通油環槽、密封槽結構,如圖5所示;殼體類零件則多為形狀復雜的異形槽、盲孔、斜孔、階梯孔等,如圖6所示。

電液伺服閥以液壓油作為工作介質,在工作過程中對于多余物的存在十分敏感,多余物來源可分為外部引入、內部產生[2],存在于液壓系統內部的死角,如盲孔、小孔、配合表面縫隙以及各密封結構處,直接影響產品的性能,嚴重時可導致伺服閥工作失效,多余物可能存在于零件制造、裝配及調試各個環節,零件加工過程和裝配前均要求進行清洗,為了預防多余物殘留,在調試前需進一步進行高壓液流沖洗。

沖洗油路時,為了有效去除內部殘留物需分別對帶有噴嘴、射流盤等微小結構的底座和殼體進行沖洗,并且采用正沖和反沖相結合的方式,所謂正沖即高壓油流經油濾組件進入噴嘴或射流盤兩腔,再經伺服閥回油腔返回試驗臺回油;而反沖正好相反,試驗臺油液通過工裝進入伺服閥的回油油路,反向進入伺服閥噴嘴最后從測壓孔兩腔流出返回試驗臺回油。采用正沖和反沖方式沖洗油路有利于去除存在于噴嘴擋板間隙、射流盤射流口以及閥套均壓槽中的多余物。

2.2  前置級性能穩定性篩選

無論是噴嘴擋板式還是射流管式伺服閥,其前置級都是基于噴射射流的基本原理,形成射流流場。由于從噴嘴和射流管噴出的油液速度非常快,而流場的尺度又很小,因此該射流流場中常常伴隨有較強的剪切流動,甚至在某些特定的工況下,伺服閥會產生高頻的自激噪聲,并伴隨著強烈的壓力脈動[3],前置級性能穩定性直接影響伺服閥的壓力零漂、溫度零漂以及抖動等,為了保證伺服閥調試合格率,因而需要對前置級性能穩定性進行初步篩選,通過壓力對稱性篩選檢測射流盤的兩個接收腔的壓力對稱性和壓力穩定性,如圖7所示,p1、p2為兩個接收腔的壓力。前置級篩選時,需要保證額定工作壓力范圍內噴嘴或射流盤兩腔壓力差值滿足設計要求,并將壓力抖動幅度控制在一定范圍內,避免工作時壓力脈動太大引起前置級不穩定。

2.3  調整零位

伺服閥的零位由液壓零位、機械零位和電磁零位三個零位組成,零位一致性好壞直接影響伺服閥的靜態特性和零區特性以及環境適應性,也是后續調試的基礎與前提。三個零位的調整順序依次為液壓零位、機械零位、電磁零位。

液壓零位是指在工作壓力下伺服閥前置級左右兩腔控制壓力的對稱情況,調整液壓零位時應避免反饋桿小球與閥芯之間無作用力,需要將反饋桿小球脫離閥芯,調整噴嘴或導流板位置時應緩慢施加作用力避免出現應力集中。機械零位是指反饋桿在自由狀態下閥芯的位置,調試過程中通過微調底座安裝螺釘與螺釘孔之間的間隙達到調整機械零位的目的。電磁零位是指力矩馬達無電流信號輸入時,電磁回路使銜鐵偏轉為零,調整電磁零位時首先檢查力矩馬達四個氣隙基本均勻一致,將磁鋼充磁至飽和程度再退磁至工作點附近,調整或修研調整墊片觀察氣隙厚度應基本一致,并保證力矩馬達4個安裝螺釘的擰緊力矩盡量一致避免應力分布不均導致電磁零位發生變化。

為了消除和釋放零位調整過程中的內部殘余應力需要進行時效處理,目前普遍采用熱時效和振動時效,熱時效存在能耗大、成本高、材料機械性能下降等弊端,振動時效又稱振動消除應力法,將產品在其固有頻率下進行數分鐘至數十分鐘的振動處理,消除其殘余應力,使尺寸精度獲得穩定的一種方法[4]。熱時效能消除50%~80%的內部殘余應力,振動時效能夠消除20%~80%,但振動時效所的消耗能源僅為熱時效的5%[5]。這種工藝耗能少、時間短、效果顯著,近年來在國內外得到迅速發展,廣泛應用于機械制造、航空、化工器械、動力機械等行業中。

2.4  充退磁對銜鐵進行限位保護

當給線圈加載電流信號時,力矩馬達在固定磁通和控制磁通作用下銜鐵組件發生偏轉,前置級左右兩腔形成壓差推動閥芯運動,調試過程中一般通過充退磁儀改變力矩馬達控制磁通,充磁至飽和瞬間銜鐵會發生較大偏轉甚至出現高頻振蕩現象,導致與銜鐵過盈連接的彈簧管產生較大的彈性變形,降低彈簧管使用壽命,因此,調試充磁時為了保護銜鐵在氣隙中需塞入隔離保護工裝進行限位。

2.5  前置級壓力增益對穩定性的影響

前置級壓力增益反映了噴嘴兩腔或射流盤兩接收腔的輸出壓差驅動閥芯運動的能力,若是噴嘴擋板間隙過小,或者偏導板在射流盤中的位置靠近回油側,則噴嘴兩腔、射流盤兩接收腔壓力增大,前置級壓力增益升高,容易引起伺服閥壓差振蕩、零漂隨壓力和溫度變化大;反之噴嘴擋板間隙過大,或者偏導板在射流盤中的位置靠近供油側,壓力增益過低則導致伺服閥動態低、分辨率差,響應能力下降。

為了保證伺服閥具有良好的靜態和動態特性,在調試過程中通過撥動銜鐵使其在一定位移范圍內發生偏轉,觀察前置級兩腔壓力隨銜鐵偏轉的變化情況,調整導流板在射流盤中前后位置、噴嘴中位壓力高低的方法尋找最佳工作點。

2.6  殼體剩磁對分辨率和滯環的影響

伺服閥殼體目前普遍采用鋁合金和不銹鋼材料,電磁零位調整時需在殼體上通過對力矩馬達部分進行充退磁至工作狀態,不銹鋼材料作為一種鐵磁材料具有較高的磁導率,在外加磁場作用下極易磁化,并且不可逆轉,殼體磁化后影響閥芯在閥套中的運動靈活性,最終導致伺服閥分辨率、滯環等性能指標變差。

為了消除殼體剩磁對伺服閥性能的影響,調試過程中可采用兩種方法調整前置級,其一是將前置級和殼體進行隔離,在工裝上單獨對前置級進行充退磁,其二,前置級和殼體整體充磁后單獨對殼體進行退磁,通過給殼體加載反向磁場,同時逐漸減小磁化電流,達到完全退磁。

3. 結論

本文基于伺服閥工作原理并結合多年實踐經驗,通過辨識伺服閥調試過程中影響產品性能穩定性的若干關鍵環節,提出了行之有效的控制方法,上述控制方法已經過多年實踐應用,對于提高伺服閥性能穩定性和可靠性效果顯著。

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