伺服閥科學(xué)使用的研究

鄭文明，劉雨，劉森

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司設(shè)備部，河北唐山 063200)

0 前言

伺服閥是伺服液壓系統(tǒng)的核心元件，廣泛用于位置、速度、加速度和力的控制。它將微弱的電信號成比例地轉(zhuǎn)換成液壓系統(tǒng)的流量或壓力輸出，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)。冶金系統(tǒng)由于自身工作特點(diǎn)，在軋制厚度控制、矯直控制、卷取控制等環(huán)節(jié)中大量采用伺服閥。因用戶對帶鋼品種、質(zhì)量和精度都有了很高的要求，所以研究伺服閥特性對提高軋鋼設(shè)備伺服液壓系統(tǒng)的性能和帶鋼的品質(zhì)有重要意義。

伺服閥性能故障在伺服閥故障中占比較大，如分辨率下降、流量增益不穩(wěn)定、零點(diǎn)漂移、響應(yīng)變慢、內(nèi)泄漏流量增大、滯環(huán)增大等。伺服閥一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng),有時也用于開環(huán)控制系統(tǒng)。在位置和力控制系統(tǒng)中，伺服閥通過執(zhí)行元件對被控對象進(jìn)行調(diào)整時，往往處在小偏差位置，即零位附近。因此，伺服閥的零位特性是決定伺服閥和伺服液壓系統(tǒng)性能的重要特性。

目前，某公司裝機(jī)MOOG品牌伺服閥有561臺，準(zhǔn)確掌握每臺伺服閥的運(yùn)行狀況并根據(jù)使用工況和伺服閥性能進(jìn)行合理使用，對保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和減少備件維護(hù)成本具有重要意義。

1 零位閥系數(shù)

滑閥式液壓放大器是利用閥芯的節(jié)流棱邊與閥套的節(jié)流棱邊配合而構(gòu)成的節(jié)流作用來實(shí)現(xiàn)液壓能控制，它通過控制閥芯的位移量改變節(jié)流口的通流面積，從而實(shí)現(xiàn)對輸入執(zhí)行元件流量和壓力的調(diào)節(jié)。在不同工作點(diǎn)上，伺服閥的系數(shù)不同，零位工作點(diǎn)處的系數(shù)叫做零位閥系數(shù)。

流量增益為流量特性曲線在某一點(diǎn)的切線斜率。流量增益表示負(fù)載壓降一定時，閥單位輸入位移引起的負(fù)載流量的變化，其值越大，閥對負(fù)載流量的控制就越靈敏。理想零開口四邊滑閥零位流量增益：

式中：0為零位流量增益；為流量系數(shù)；為節(jié)流口面積梯度；為供油壓力；為油液密度。

壓力增益為壓力特性曲線在某一點(diǎn)的切線斜率。壓力增益是指輸出流量為0時，單位輸入位移引起的負(fù)載壓力的變化。壓力增益表示閥控制執(zhí)行元件組合驅(qū)動大慣性或摩擦力負(fù)載的能力，值越大，閥對負(fù)載的控制靈敏度越高。實(shí)際零開口四邊滑閥零位壓力增益：

式中：0為零位壓力增益；為流量壓力增益系數(shù)；為油液動力黏度；為閥芯閥套間徑向間隙。

流量壓力增益表示閥的開口一定時，負(fù)載壓降變化所引起的負(fù)載流量變化。流量壓力增益系數(shù)體現(xiàn)了執(zhí)行元件的速度衰減與負(fù)載之間的關(guān)系，即由于節(jié)流特性所產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)。流量壓力增益系數(shù)會影響液壓控制系統(tǒng)的阻尼比，同時也會影響系統(tǒng)的速度剛度。其值越小，閥抵抗負(fù)載變化的能力越大，即閥的剛度越大。實(shí)際零開口四邊滑閥零位流量壓力增益系數(shù)：

實(shí)際上,零開口滑閥具有徑向間隙，還有很小的正重疊量，同時閥芯、閥套棱邊也不可避免地存在圓角。因此，伺服閥在中位附近微小范圍內(nèi)移動時，零位內(nèi)泄漏流量不可忽略，它也決定了伺服閥的零位性能。在零位范圍以外，閥芯、閥套徑向間隙影響可以忽略，理想特性與實(shí)際的零開口伺服閥特性一致。

式中：為總泄漏流量。

3個閥的系數(shù)的關(guān)系為

=

式中：為流量增益；為壓力增益；為流量壓力增益系數(shù)。因此，研究伺服閥的零位閥系數(shù)和零位內(nèi)泄漏流量，對保證液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)誤差非常重要。

2 測試曲線性能分析

某公司中厚板4300產(chǎn)線軋機(jī)彎輥伺服液壓系統(tǒng)和對中伺服液壓系統(tǒng)使用的伺服閥為某品牌D663Z4305K型號伺服閥，伺服閥控制信號為±10 mA、額定流量為350 L/min、主閥芯位移為±4.5 mm。彎輥伺服液壓系統(tǒng)工作壓力為28 MPa，在鋼板軋制過程中，伺服閥處于長期調(diào)節(jié)狀態(tài)，即工作在零位附近。對中伺服液壓系統(tǒng)工作壓力為18 MPa，伺服閥在鋼板軋制前調(diào)節(jié)到位，所以伺服閥長期處于大開口工作狀態(tài)。

2.1 流量增益曲線分析

張鑫彬等研究伺服閥滑閥副疊合量氣動測量方法，利用有限元分析閥芯單邊位移與流量關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。可知：第1階段為閥芯閥套有一定重疊量的區(qū)域；第2階段為閥芯閥套過渡區(qū)，接近零開口附近；第3階段為開啟階段，閥口處于打開狀態(tài)，流量與滑閥開口量成比例階段。

圖1 有限元分析法閥芯單邊位移與流量的關(guān)系

D663Z4305K新伺服閥10%控制信號時的空載流量曲線如圖2所示，D663Z4305K舊伺服閥10%控制信號時的空載流量曲線如圖3所示，測試條件如表1所示。比較圖2和圖3并做空載流量曲線切線，可以看出：圖2中的過渡區(qū)為0.15～0.4 mA,流量增益較小，在0.4 mA以后即為伺服閥開啟階段，流量增益較大；圖3中的過渡區(qū)為0.15～0.4 mA，流量增益變大，0.4～0.5 mA伺服閥開啟階段流量增益變小。流量增益直接影響系統(tǒng)的開環(huán)增益，因而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性與穩(wěn)態(tài)誤差有直接影響。零位增益大，則系統(tǒng)在零位易產(chǎn)生自激；零位增益小，則系統(tǒng)在零位時特性變差，在低幅度輸入時系統(tǒng)響應(yīng)變慢。

圖2 新伺服閥空載流量曲線 圖3 舊伺服閥空載流量曲線

表1 流量增益測試條件

2.2 壓力增益曲線分析

D663Z4305K新伺服閥10%控制信號時的壓力增益曲線如圖4所示，D663Z4305K舊伺服閥10%控制信號時的壓力增益曲線如圖5所示，測試條件如表2所示。比較圖4和圖5壓力增益曲線切線，可以看出：圖4中的過渡區(qū)為0.1～0.25 mA之間,壓力增益較小，在0.25 mA以后即伺服閥開啟階段壓力增益較大；圖5中的過渡區(qū)在0.1～0.25 mA之間，壓力增益變大，0.25～0.3 mA伺服閥開啟階段壓力增益變小。壓力增益表示伺服閥控制執(zhí)行元件組合驅(qū)動大慣性或摩擦力負(fù)載的能力較差。

圖4 新伺服閥壓力增益曲線 圖5 舊伺服閥壓力增益曲線

表2 壓力增益測試條件

2.3 泄漏流量曲線分析

D663Z4305K新伺服閥100%控制信號時，P-A、P-B、A-T、B-T各節(jié)流口流量曲線如圖6所示，D663Z4305K新伺服閥100%控制信號時，內(nèi)泄漏流量曲線如圖7所示，信號調(diào)節(jié)范圍為-10～+10 mA，其余測試條件與流量增益測試條件相同?？芍涸?.1～0.3 mA控制信號范圍內(nèi)，油口P-A接通并工作在A口開啟位置附近時，有少量的液壓油由P-B、A-T回流到油箱；伺服閥最大內(nèi)泄漏流量為1.8 L/min。

圖6 新伺服閥P-A、P-B、A-T、B-T各節(jié)流口流量曲線 圖7 新伺服閥內(nèi)泄漏流量曲線

D663Z4305K舊伺服閥100%控制信號時，P-A、P-B、A-T、B-T各節(jié)流口流量曲線如圖8所示，D663Z4305K舊伺服閥內(nèi)泄漏流量曲線如圖9所示，測試條件與D663Z4305K新伺服閥100%控制信號的測試條件相同?？芍涸?.1～1.4 mA控制信號范圍內(nèi)，在油口P-A接通并工作在A口開啟位置附近時，有大量的液壓油由P-B、A-T回流到油箱；伺服閥最大內(nèi)泄漏流量為9 L/min；比較圖7與圖9，零位以外區(qū)域內(nèi)泄漏流量無變化。

圖8 舊伺服閥P-A、P-B、A-T、B-T各節(jié)流口流量曲線 圖9 舊伺服閥內(nèi)泄漏流量曲線

對于新伺服閥，可用內(nèi)泄漏流量評價其制造質(zhì)量。對于舊伺服閥，內(nèi)泄漏流量可用于判斷其磨損程度。新閥內(nèi)泄漏液流是層流型，已經(jīng)使用過的舊閥，由于液壓油污染顆粒度的增加和酸值升高,導(dǎo)致閥芯閥套間隙磨損(新閥間隙為6～8 μm)，特別是對閥芯閥套棱邊的磨損(工作邊重疊量為2～4 μm)，導(dǎo)致重疊量減少和面積增加，液流變?yōu)樾」?jié)流型，這是內(nèi)泄漏流量增加的主要原因。內(nèi)泄漏流量增加導(dǎo)致伺服液壓系統(tǒng)能源消耗增加，系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重、效率降低，嚴(yán)重時影響液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過以上分析得出：

(1)伺服閥的系數(shù)隨閥的工作點(diǎn)而變，最重要的工作點(diǎn)是壓力、流量的零位，因?yàn)榉答佅到y(tǒng)經(jīng)常在零位附近工作。伺服閥在零位時流量增益0越大，因而系統(tǒng)的開環(huán)增益也越高，即系統(tǒng)增益越大，此時系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。閥的流量壓力增益系數(shù)越小，系統(tǒng)的阻尼越低。伺服液壓系統(tǒng)在零位能穩(wěn)定工作，則在其他工作點(diǎn)也能穩(wěn)定工作。

(2)伺服閥閥芯、閥套棱邊的磨損是導(dǎo)致伺服閥零位流量增益、零位壓力增益、流量壓力增益系數(shù)下降和零位內(nèi)泄漏流量增加的主要原因。在零位以外，伺服閥性能不受閥芯、閥套棱邊磨損的影響。因此，可以將軋機(jī)彎輥伺服液壓系統(tǒng)伺服閥更換到對中伺服液壓系統(tǒng)中使用，以減少設(shè)備維護(hù)成本，保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行和精度。

3 結(jié)論

伺服閥閥芯、閥套棱邊的磨損是導(dǎo)致伺服閥零位特性下降和零位內(nèi)泄漏流量增加的主要原因，零位以外的伺服閥性能不會受到影響。因此，研究伺服閥特性，并根據(jù)不同工況科學(xué)地使用伺服閥，對提高伺服液壓系統(tǒng)的性能和產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義，同時也可降低設(shè)備的維護(hù)成本。