容積效應(yīng)對(duì)某導(dǎo)彈發(fā)射裝置液壓系統(tǒng)的影響*

杜芳莉，陳志堅(jiān)，董明德，杜 海

（1西安航空學(xué)院動(dòng)力工程系，西安710077;2解放軍邊防學(xué)院，西安710108;3西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065）

0 引言

反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)通常由彈藥系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)及觀瞄控制系統(tǒng)3個(gè)主要部分組成。相同技術(shù)狀態(tài)的導(dǎo)彈在不同的發(fā)射條件下發(fā)射，其飛行性能存在差異。而發(fā)射裝置要用到液壓系統(tǒng)來執(zhí)行導(dǎo)彈飛行的高低和方向的引導(dǎo)，伺服閥則是液壓系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部件［1］。如果出現(xiàn)故障則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)彈不按指定方位飛行，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈不能正常發(fā)射，所以其性能的優(yōu)劣對(duì)液壓系統(tǒng)的影響很大。因此，它是液壓控制系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵［2］。文中結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，以某導(dǎo)彈發(fā)射液壓系統(tǒng)伺服閥故障測(cè)試為例，對(duì)伺服閥產(chǎn)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行原因分析，并通過建立伺服閥AMESim結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，在仿真計(jì)算基礎(chǔ)上提出相應(yīng)解決辦法，并最終通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，說明容積效應(yīng)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射裝置中的液壓系統(tǒng)具有一定的影響。

1 伺服閥測(cè)試臺(tái)工作原理

伺服閥性能指標(biāo)主要包括零偏、內(nèi)漏、線性度、滯環(huán)以及死區(qū)等［3］，文中重點(diǎn)說明伺服閥內(nèi)漏指標(biāo)在液壓測(cè)試臺(tái)中的測(cè)試。

圖1給出了伺服閥靜態(tài)流量特性測(cè)試原理［4－6］，兩個(gè)流量計(jì)分別用于控制腔流量和內(nèi)漏流量的測(cè)試，其中L1用于內(nèi)漏測(cè)試，L2用于控制流量測(cè)試，電磁閥用于兩種測(cè)試狀態(tài)切換（電磁閥應(yīng)為通斷兩種狀態(tài)）。由于負(fù)載腔流量計(jì)的量程受限，在測(cè)量大流量伺服閥時(shí)，需要通過電磁閥F1的上位直接與伺服閥B腔相連;只有在小流量伺服閥測(cè)試時(shí)，電磁閥F1在下位工作，負(fù)載腔流量通過流量計(jì)L2。文中所討論的伺服閥內(nèi)漏測(cè)試依靠流量計(jì)L1進(jìn)行。

圖中符號(hào)說明:伺服閥F2、電磁閥F1、流量計(jì)L2分別采用獨(dú)立的安裝塊，各安裝塊之間采用硬管與硬接頭連接。

圖1 伺服閥靜態(tài)流量特性測(cè)試原理

T1、T2、T3、T4、T5為試驗(yàn)臺(tái)液壓管路，其中 T1為 A負(fù)載腔與F1之間管路，長(zhǎng)度約0.5 m，內(nèi)徑10 mm。T2為B負(fù)載腔與流量一端管路，長(zhǎng)度約1 m，內(nèi)徑10 mm。T3為B負(fù)載腔與F1的管路，長(zhǎng)度約0.3 m，內(nèi)徑10 mm。T4為流量計(jì)L2安裝座與流量計(jì)之間管路長(zhǎng)度約0.3 m，內(nèi)徑10 mm。T5為伺服閥回油口與內(nèi)漏測(cè)試流量計(jì)L1之間管路，未涉及改動(dòng)，可以忽略不計(jì)。

2 故障現(xiàn)象

某導(dǎo)彈發(fā)射裝置液壓系統(tǒng)用某型噴嘴擋板伺服閥的額定工作壓力為21 MPa，內(nèi)漏指標(biāo)為:常值內(nèi)漏不大于0.42 L/min，最大內(nèi)漏不大于 0.55 L/min，經(jīng)伺服閥測(cè)試臺(tái)測(cè)試的最大內(nèi)漏為0.62 L/min，不滿足指標(biāo)要求，詳見圖2。

圖2 實(shí)際伺服閥內(nèi)漏測(cè)試曲線

3 故障原因分析

3.1 故障產(chǎn)生的原因分析

經(jīng)過長(zhǎng)期的研究及工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得知，影響伺服閥內(nèi)漏的因素包括:伺服閥額定流量、伺服閥閥芯與閥套的配合間隙、伺服閥閥套閥芯的節(jié)流邊遮蓋狀態(tài)、伺服閥噴嘴前的節(jié)流孔的尺寸以及前置級(jí)壓力的大小是否滿足設(shè)計(jì)要求、測(cè)試設(shè)備是否滿足伺服閥內(nèi)漏測(cè)試的要求等多個(gè)方面［7］。該型伺服閥為成熟產(chǎn)品，并已經(jīng)過多年的批產(chǎn)加工，工藝成熟穩(wěn)定。而本項(xiàng)目則是通過對(duì)檢查內(nèi)漏測(cè)試不合格伺服閥產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)測(cè)，得出以下結(jié)論:

1）閥芯與閥套的間隙滿足設(shè)計(jì)圖紙要求;

2）由于是新加工的零件，閥芯節(jié)流邊保持尖邊，原始加工重疊狀態(tài)為保持0.003 mm左右重疊量的“零重疊”狀態(tài);

3）伺服閥噴嘴前的節(jié)流孔的尺寸以及前置級(jí)壓力的大小滿足設(shè)計(jì)要求;

4）常值內(nèi)漏滿足指標(biāo)要求，排除了液壓測(cè)試臺(tái)上電磁閥（選用零泄漏電磁閥）的泄漏導(dǎo)致內(nèi)漏測(cè)試超差的可能性;

5）本次測(cè)試內(nèi)漏超標(biāo)的伺服閥測(cè)試臺(tái)為新研產(chǎn)品，為了滿足批量產(chǎn)品調(diào)試的需求，提高測(cè)試設(shè)備的工作效率，對(duì)老試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了自動(dòng)化程度改造，測(cè)試設(shè)備使用電磁閥替代了原試驗(yàn)臺(tái)的手動(dòng)機(jī)械開關(guān)。經(jīng)檢查，由于管路排布問題使得控制腔連接油路長(zhǎng)度比原試驗(yàn)臺(tái)有所增加。

通過分析，認(rèn)為測(cè)試臺(tái)管路長(zhǎng)度的增加是導(dǎo)致伺服閥內(nèi)漏增加的原因。因?yàn)樵黾庸苈烽L(zhǎng)度，使得貯存在管路中油液的體積增加。在內(nèi)漏測(cè)試過程中，當(dāng)伺服閥閥芯經(jīng)過中位時(shí)，伺服閥控制腔中的壓力發(fā)生了變化，由于容積效應(yīng)的影響，壓力的變化導(dǎo)致伺服閥控制腔的油液體積發(fā)生了變化，多余的油液流入伺服閥內(nèi)漏中，從而導(dǎo)致伺服閥的內(nèi)漏超差。

3.2 量化理論分析

1）壓力變化引起的油液體積變化

在實(shí)際測(cè)試中根據(jù)油液彈性模量計(jì)算公式βe=ΔP/（ΔV/V1）得出壓力油腔中壓力變化引起的油液體積變化量為:

其中:ΔV為壓力油腔中油液體積的變化量;βe為油液的彈性模量［8－9］，βe=6.9 × 102MPa;ΔP為油液壓力的變化量，ΔP=21 MPa;V1為控制腔以及連接管路的體積，文中只考慮T2和T3油管的體積。

代入ΔV=ΔP/（βe/V1）式中，經(jīng)計(jì)算ΔV=3 107mm3。

2）壓力變化所需的時(shí)間

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試得出伺服閥的壓力增益曲線如圖3所示，其中壓力增益為Kp=98.17 MPa/mA，通過壓力增益換算ΔP所需的電流為，將上述ΔP=21 MPa代入，經(jīng)計(jì)算ΔI=0.214 mA。根據(jù)測(cè)試條件，幅值為10 mA，頻率為0.005 Hz，換算所需的時(shí)間，則壓力變化所需的時(shí)間為:

圖3 伺服閥實(shí)際壓力增益測(cè)試曲線

3.3 仿真分析

文中采用AMESim仿真軟件［10－15］，依據(jù)實(shí)際伺服閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立AMESim結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型如圖4。

此伺服閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定為額定進(jìn)油壓力Ps:210 kg/cm2，額定回油壓力Rs:≯10 kg/cm2，額定控制電流I:±10 mA，額定空載流量 QH:7.5 L/min，零位漏損Q0:＜ 0.55 L/min，閥芯尺寸:4.5mm，閥芯軸肩尺寸:2.8 mm，閥芯、閥套間隙尺寸:0.003 mm。

某型伺服閥仿真參數(shù)據(jù)工作實(shí)際工作環(huán)境設(shè)定為電流:±10mA，頻率:0.02 Hz，控制腔油管參數(shù):管長(zhǎng)為T2+T3=1 300 mm，管徑為10 mm。通過對(duì)管路優(yōu)化前的內(nèi)漏測(cè)試進(jìn)行仿真得出如圖5～圖7的曲線圖。

圖6 管路優(yōu)化前的內(nèi)漏仿真曲線細(xì)節(jié)圖

圖7 管路優(yōu)化前的內(nèi)漏實(shí)際測(cè)試曲線

由圖5～圖7可見，伺服閥內(nèi)漏仿真值為0.65 L/min，實(shí)測(cè)值為0.62 L/min，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線比較吻合。

依據(jù)之前的故障原因分析，通過減小伺服閥控制腔管路的體積，可以減小管路容積效應(yīng)對(duì)伺服閥內(nèi)漏測(cè)試的影響。將原模型中T2和T3油管的長(zhǎng)度減小為500 mm，管徑減小為6 mm，進(jìn)行仿真計(jì)算。管路優(yōu)化后據(jù)工作實(shí)際需要設(shè)定仿真參數(shù)為電流:±10 mA，頻率:0.02 Hz，控制腔油管參數(shù):管長(zhǎng)為 T2+T3=500 mm，管徑為6mm。通過對(duì)管路優(yōu)化后的內(nèi)漏測(cè)試進(jìn)行仿真得出曲線如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可見，伺服閥內(nèi)漏仿真值為0.46 L/min，實(shí)測(cè)值為0.49 L/min，仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線比較吻合。

通過仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比，優(yōu)化伺服閥控制腔連接管路長(zhǎng)度，減少了液壓管路容積對(duì)于伺服閥內(nèi)漏的影響，滿足了伺服閥內(nèi)漏指標(biāo)的測(cè)試需求。

圖8 管路優(yōu)化后的內(nèi)漏仿真曲線

圖9 管路優(yōu)化后的內(nèi)漏仿真曲線細(xì)節(jié)圖

圖10 管路優(yōu)化后的內(nèi)漏實(shí)際測(cè)試曲線

4 結(jié)論

通過針對(duì)某導(dǎo)彈發(fā)射裝置液壓系統(tǒng)伺服閥的內(nèi)漏超差問題的分析與研究，得出工作油液的可壓縮性以及容積對(duì)于導(dǎo)彈發(fā)射裝置液壓系統(tǒng)性能有一定的影響，在工程實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于從事導(dǎo)彈發(fā)射裝置液壓系統(tǒng)的技術(shù)人員有一定的借鑒作用。

［1］陳彬，易孟林.電液伺服閥的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（6）:5－8.

［2］易建鋼，湛從昌，吳瓊進(jìn).電液伺服閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試中復(fù)合數(shù)字濾波算法研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2004（2）:15－16.

［3］李健鋒，袁銳波，張自華.電液伺服測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.液壓與氣動(dòng)，2007（12）:65－67.

［4］曹鑫銘.液壓伺服系統(tǒng)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991.

［5］傅連東，陳奎生，曾良才，等.電液伺服閥的改進(jìn)型智能故障診斷研究［J］.武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，30（2）:164 －167.

［6］宋曉軍，劉幫成.電液伺服閥測(cè)試臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（12）:32 －35.

［7］劉自磊，吳百海，鄒大鵬.電液伺服閥自動(dòng)測(cè)試方法的研究［J］.機(jī)床與液壓，2005（11）:114－116.

［8］岳國良，李楠.航空液壓油體積彈性模量的測(cè)定方法［J］.合成潤滑材料，2011，38（1）:19 －21.

［9］王靜，龔國芳，楊華勇.油液彈性模量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)及仿真分析［J］.液壓與氣動(dòng)，2006（7）:34－36.

［10］付永領(lǐng)，祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［11］朱學(xué)彪，陳奎生.對(duì)于三級(jí)電液伺服閥的新型仿真與研究［J］.機(jī)床與液壓，2005（2）:97－98.

［12］羅福勝，傅連東，付曙光，等.一種新型電液伺服閥的建模與仿真［J］.礦山機(jī)械，2011，39（5）:95－99.

［13］Affred Lynn，Edzko Staid，Moji Eshraghi，etal.Modeling hydraulic regenerative hybrid vehicles using AMESim and Matlab/Simulink，SPIE Proceedings，2005 vol.5808.

［14］余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2005（3）:28－30.

［15］李闊，郭迎清.AMESim仿真技術(shù)在航空動(dòng)力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2009，26（1）:107－110.

［16］邢科禮，馮玉，金俠杰，等.基于AMESim/Matlab的電液伺服控制系統(tǒng)的仿真研究［J］.機(jī)床與液壓，2004（10）:57－58.