電液伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測及應用*

王曉露，江金林，鮮亞平，蒯佳祺，陸 旻

(1.上海航天控制技術研究所·上?！?01109；2.上海伺服系統(tǒng)工程技術研究中心·上海·201109)

0 引 言

電液伺服控制集機械、電子、液壓、傳感與控制等多學科于一體，目前已成為控制領域的重要組成部分，具有抗負載能力強、控制精度高、響應速度快等優(yōu)勢。在電液伺服控制系統(tǒng)中，電液伺服閥是一個復雜的機電液一體化元件，起到連接電氣部分及液壓部分的作用。圖1所示為常見的雙噴嘴擋板伺服閥基本結構，其簡單的工作原理為：當外界電流信號輸出力矩馬達線圈后，處在磁場中的銜鐵受到力的作用偏轉一個角度，同時擋板也偏擺一個相應的角度，偏擺的結果使得兩噴嘴與擋板之間的距離發(fā)生變化，比原間隙小的，噴嘴阻力大，噴嘴前腔的壓力升高，反之則降低。這樣使作用在閥芯兩端的油液壓力存在一個差值，這一壓力差推動閥芯運動，使伺服閥輸出負載壓力。

圖1 常見噴嘴擋板伺服閥結構原理圖Fig.1 Structure and mechanism diagram of flapper-nozzle servo valve

銜鐵組件作為電液伺服閥的關鍵部件，其性能直接關系到整個電液伺服閥及其控制系統(tǒng)的控制精度和響應速度，也直接影響整個系統(tǒng)的可靠性及壽命。常見電液伺服閥銜鐵組件主要由銜鐵、管彈簧、擋板及反饋桿四部分組成，如圖2所示，其中擋板與反饋桿、管彈簧與擋板通過過盈方式連接，此外銜鐵、擋板及管彈簧同樣采用過盈方式連接。由于其形狀的非規(guī)則性，這為銜鐵組件的綜合性能測量增加了難度。

圖2 銜鐵組件示意圖Fig.2 Armature assembly diagram

國內對銜鐵組件的研究主要集中在銜鐵組件的壓裝、過盈聯接分析、振動特性及嘯叫等。大連理工大學胡菊云通過有限元分析軟件 ANSYS Workbench ，分析了銜鐵組件各組成零件間參數對銜鐵組件壓裝力的影響規(guī)律，從而確定銜鐵組件各組成零件間過盈量的范圍。上海航天控制技術研究所熊美等基于厚壁圓筒過盈配合原理，通過對零件材料的屈服極限進行理論分析計算，確定了合理過盈量范圍，該方法解決了裝配時經常出現的組件壓配變形、平行度等指標超差等問題。李松晶等對伺服閥力矩馬達銜鐵組件的振動特性進行了分析，提出了消除射流流場中與銜鐵組件固有頻率相接近的壓力脈動激勵信號，可防止銜鐵組件共振的發(fā)生。哈爾濱工業(yè)大學劉海茹通過分析測量環(huán)境下銜鐵組件組合剛度與彈簧管、反饋桿剛度的關系，并與力矩馬達中銜鐵組件綜合剛度進行對比，確定了銜鐵組件綜合剛度的測量方案。

國外在對銜鐵組件研究方面，J.Watton總結出了高頻振動產生的條件;S.Ziada通過一系列試驗研究，驗證了壓力脈動是直接導致銜鐵組件自激振動的原因；T.Nishiumi等提出了用算法的方式抑制伺服閥振動，為振動抑制提供了一條可行途徑；A.Glaun通過分析流體振動的原因及類型，提出了相應的抑振措施。

上述理論及試驗研究并未結合電液伺服閥銜鐵組件實際工況進行分析，因此圍繞銜鐵組件形狀的非規(guī)則性，需有針對性地開展銜鐵組件綜合性能檢測裝置研究。通過裝置軟硬件設計獲得銜鐵組件綜合性能參數，并利用其進行不同銜鐵組件對比試驗。試驗結果表明，通過對銜鐵組件綜合性能參數的有效控制為伺服閥嘯叫振動抑制提供了新途徑，還為銜鐵組件批生產的質量控制提供了裝備支撐。

1 電液伺服閥銜鐵組件運動機理

圖3所示為常見電液伺服閥銜鐵組件運動機理示意圖，工作狀態(tài)下銜鐵組件靜態(tài)力矩平衡方程為

圖3 銜鐵組件轉動示意圖Fig.3 Armature assembly rotation diagram

)+Δ+(+)Δ

(1)

其中,為銜鐵組件綜合剛度；Δ為輸入電流；為管彈簧的剛度系數,為磁彈簧的剛度系數，(-)為力矩馬達的凈剛度，為了保證閥的穩(wěn)定性和力矩馬達能正常工作，必須使>;為擋板偏轉角度；為銜鐵組件回轉中心到噴嘴中心軸線的距離；為噴嘴擋板的流量系數；為噴嘴擋板的零位間隙；為供油壓力；為反饋桿的剛度；為噴嘴孔中心至反饋桿球心的距離；Δ為前置級壓差；為噴嘴孔面積；Δ為閥芯位移變化量。

力矩馬達總力矩在克服銜鐵運動時的各負載，主要體現在銜鐵的電磁力矩與慣性力矩、阻尼力矩、管彈簧力矩及負載力矩相平衡

(2)

式中,為銜鐵組件活動部分的轉動慣量；為銜鐵的機械支撐和負載的黏性阻尼；為作用在銜鐵組件上的負載力矩，=+，為雙噴嘴液動力形成的力矩，為反饋桿形成的力矩。所以力矩馬達平衡方程為

(3)

負載力矩為噴嘴液動力形成的力矩和反饋桿形成的力矩，其表達式為

(+)+(+)

(4)

再由閥芯的力平衡方程(忽略閥芯摩擦力)可得

)+]+043(-)

(5)

Δ=

(6)

當閥芯達到最大行程時，前置級的壓差最大。

Δ=

(7)

每個反饋桿作用在閥芯的最大力為=(+)+；

每個反饋桿產生的最大力矩為=(+)+(+)。

當輸入電流為額定電流時，閥芯行程最大，前置級壓差也達到最大，此時力矩馬達最大輸出力矩為

=(-)++

(8)

該力矩為每個力矩馬達輸出最大額定力矩。由式(1)～式(8)推導過程，可得以下兩點結論：

1)銜鐵組件在實際工作中會受到電磁力矩的作用，促使擋板發(fā)生偏轉，偏轉后擋板左右輸出腔壓力不等，由此造成閥芯運動，閥芯運動過程中會拖動銜鐵組件反饋桿運動。

2)針對特定的電液伺服閥產品，因額定電流與額定流量已知，由此產生的電磁力矩與閥芯位移量大小已知，通過在銜鐵一端施加特定力值可模擬銜鐵組件在工作過程中受到的電磁力矩；通過在反饋桿球頭端施加特定位移值可模擬銜鐵組件在工作過程中的球頭位移。最后通過上述公式推導計算，可獲得銜鐵組件的綜合性能。

2 電液伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置設計

前文通過公式推演為銜鐵組件綜合性能檢測提供了一個有效思路，即以外部力及位移加載的方式模擬銜鐵組件實際工作過程中受到的力和位移大小。通過銜鐵組件綜合性能檢測裝置研制，可獲得銜鐵組件在額定工作條件下的綜合性能參數，下文就伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置原理及組成作詳細介紹。

2.1 伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置原理設計

圖4和圖5所示分別為伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置原理示意圖及加載與測量示意圖，該裝置由測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分組成。測量系統(tǒng)由定位夾具、調整機構、反饋桿球頭加載定位系統(tǒng)、擋板視覺系統(tǒng)、銜鐵視覺系統(tǒng)、銜鐵加載系統(tǒng)等單元組成，控制系統(tǒng)由數據采集卡、光源驅動卡、加載驅動卡、視頻采集等組成。根據測量功能，測試臺分為銜鐵位移及銜鐵載荷檢測、擋板位移檢測和反饋桿球頭位移及球頭載荷檢測三部分。其中對銜鐵位移和擋板位移采用視覺檢測系統(tǒng)實現二者位移的非接觸測量，銜鐵、球頭載荷檢測均采用高精度測力傳感器實現，球頭位移檢測采用非接觸式的光學位移檢測系統(tǒng)來完成，最后通過綜合計算得出銜鐵組件綜合性能。

圖4 銜鐵組件綜合性能檢測裝置原理圖Fig.4 Principle diagram of comprehensive performance testing device for armature assembly

圖5 銜鐵組件加載與測量示意圖Fig.5 Loading and measuring diagram of armature assembly

2.2 反饋桿球頭加載定位系統(tǒng)設計

反饋桿球頭加載定位系統(tǒng)由導向機構、力傳感器、球頭加載桿、激光位移傳感器等幾部分組成，如圖6(a)所示。反饋桿球頭位移加載前可先調節(jié)加載桿高度，調整機構使得反饋桿球頭位于加載桿的合適位置，并調節(jié)激光位移傳感器調整機構使激光位移傳感器處于合適的高度位置。球頭加載定位系統(tǒng)由于采用非接觸式光學位移傳感器，測量精度高，避免了接觸式測量時對球頭產生的額外作用力，提高了加載力測量的精度。此外激光位移傳感器布置于加載頭后端，通過高度調整機構使得激光位移傳感器光軸和球頭球心處于同一水平線上，有效消除了測量誤差，如圖6(b)所示。

(a)反饋桿加載定位示意圖

2.3 銜鐵自動加載系統(tǒng)設計

為了保證整個測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，提供重復測量精度，避免人工干擾帶來的測量誤差，加載過程應優(yōu)先采用自動加載方法。整個自動加載系統(tǒng)由銜鐵加載桿、力傳感器、導向機構、水平調整機構、控制電機和支架等組成，如圖7所示。具體加載原理為：先調節(jié)水平調整機構使得加載桿位于銜鐵加載部位的正上方，此時加載桿與銜鐵不接觸，力傳感器輸出為0，然后電機驅動導向機構對銜鐵進行加載。

圖7 銜鐵自動加載系統(tǒng)設計Fig.7 Design of armature automatic loading system

2.4 視覺系統(tǒng)設計

視覺系統(tǒng)的主要功能是實現銜鐵位移和擋板位移的非接觸、高精度測量。視覺系統(tǒng)主要由三維調整機構、光源、鏡頭、轉接鏡筒和攝像機組成，如圖8所示。

圖8 視覺系統(tǒng)設計Fig.8 Visual system design

2.5 控制系統(tǒng)及軟件設計

整套裝置的控制系統(tǒng)及軟件設計涵蓋銜鐵組件綜合性能測量過程：包括銜鐵、反饋桿加載機構的控制，擋板、銜鐵位移檢測機構的數據采集，以及數據處理、計算、顯示、存儲、打印等，如圖9和圖10所示。通過人機界面可以進行啟動測量和停止測量功能，手工安裝被測銜鐵組件后，啟動測量，選擇測量選項，系統(tǒng)通過控制力加載及測量、測量機構、圖像采集處理等進行相關運算，取得測量結果，并將測量結果顯示于用戶界面。圖11所示為最終研制的伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置實物圖。

圖9 銜鐵組件綜合性能測量系統(tǒng)設計Fig.9 Design of measurement system for comprehensive performance of armature assembly

圖10 銜鐵組件綜合性能測量系統(tǒng)軟件界面示意圖Fig.10 Software interface sketch of armature assembly’s comprehensive performance measurement system

圖11 銜鐵組件綜合性能檢測裝置實物圖Fig.11 Testing device for comprehensive performance of armature assembly

3 伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置試驗研究

為定量衡量伺服閥銜鐵組件綜合性能檢測裝置研制的有效性，取某批次伺服閥銜鐵組件加載過程擋板位移性能測試數據，如表1所示。為盡量降低測量誤差，采用多次測量的方式，測試過程中按照該銜鐵組件實際最大擺動工況進行力和位移加載，并測量不同銜鐵組件在加載完成后的擋板位移大小。測量完成后將各銜鐵組件安裝成單馬達及整閥再進行液壓測試臺性能檢測。

表1 銜鐵組件擋板位移測量結果表(單位：微米)Tab.1 Measurement result sheet of armature assembly flapper displacement (unit：μm)

根據上述5只伺服閥銜鐵組件安裝成單馬達和整閥的檢測結果，可以得到如下結論：

1)不同銜鐵組件在相同加載力條件下測得的擋板位移量比較離散，且大部分銜鐵組件的數值較低。分析其原因可能與反饋桿剛度、管彈簧剛度、銜鐵組件各零件之間的壓配參數等有關。

2)銜鐵組件綜合性能檢測裝置測量的擋板位移量與單馬達和整閥性能之間存在一定的對應關系，除表1羅列的5只伺服閥測量結果外，通過大量伺服閥銜鐵組件測量結果表明，擋板位移過小時(數值范圍處于0 ～2μm之間)，安裝成單馬達測試過程中容易引起銜鐵組件諧振現象；擋板位移較小時(數值范圍處于2 ～4μm之間)，安裝成整閥性能測試過程中容易引起整閥諧振現象；擋板位移較大時(數值范圍高于4μm 時)，安裝成單馬達及整閥后，諧振現象基本消失。

3)對同一銜鐵組件的多次測量結果表明，多次測量的數據偏差較小，表明銜鐵組件綜合性能檢測裝置數據的一致性較好，可用于后續(xù)伺服閥銜鐵組件生產過程量化性能測試。

4 結 論

本文圍繞銜鐵組件形狀的非規(guī)則性，有針對性地開展了銜鐵組件綜合性能檢測裝置研制，通過軟硬件設計獲得了銜鐵組件綜合性能參數，并利用其進行不同銜鐵組件對比試驗。試驗結果表明，通過銜鐵組件綜合性能參數的有效控制為伺服閥嘯叫振動抑制提供了新途徑，還為銜鐵組件批生產的質量控制提供了裝備支撐。