电液伺服作动器活塞杆抖动问题的几种原因分析.pdf

2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application伺服作动器是控制系统的执行机构，其根据控制系统的指令信号对能源系统提供的液压功率进行实时控制，使伺服作动器按照指令信号控制柔性喷管的摆动，实现运载火箭飞行时的俯仰和偏航姿态控制，使箭体按预定轨道准确而稳定地飞行。作为电液伺服系统的关键执行机构，电液伺服作动器运动的稳定性对飞行控制系统的工作具有重要影响，产品测试过程中，要求活塞杆伸出及回缩过程中运动平稳，然而在工程实例中，伺服作动器活塞杆抖动问题时有发生，本文结合伺服作动器及其组成部分的工作原理，对故障产生原因进行机理分析，并提出相应的故障处理措施。1电液伺服系统相关概述1.1电液伺服系统的组成和作动器工作原理本文所述伺服作动器所属系统为电液位置伺服系统，伺服系统组成主要包括伺服作动器、能源、伺服控制器及测量装置。其中电液伺服作动器主要由伺服阀、液压作动器及位移传感器组成。伺服系统控制回路的组成如图 1 所示，伺服作动器的工作原理为：能源（如电机、油泵）为伺服作动器提供液压能源，伺服控制器接收指令信号和当前伺服作动器所处的位置信号，将二者的差值经过转换并放大后输出给伺服阀，伺服阀把电信号转换并放大为极性和大小受控的负载流量去驱动液压作动器运动，作动器的位移通过位移传感器反馈给伺服控制器，当伺服控制器接收到的指令信号和反馈信号相等时伺服阀回复零位，作动器保持在当前的指令位置。图 1伺服系统控制回路的组成可以看出，伺服阀、位移传感器、电子盒和伺服控制器是作动器运动控制回路的主要组成部分，外场测试出现作动器活塞抖动问题时，一般先通过替代法排查伺服控制器和电子盒的问题，在二者问题可排除在外的前提下，对结构较为复杂的伺服阀和位移传感器电液伺服作动器活塞杆抖动问题的几种原因分析王振华，萧耀友，张万达（91515 部队，海南 三亚 572000）摘要：电液伺服作动器作为电液伺服系统工作中的关键执行机构，其性能稳定性对伺服系统乃至飞行控制系统具有重要影响。产品测试过程中，要求活塞杆运动平稳，然而在工程实例中，伺服作动器活塞杆抖动问题时有发生，结合电液伺服作动器及其组成部分的工作原理，对该问题进行细致的故障分析，并提出一些相应的解决措施。关键词：电液伺服作动器；活塞杆抖动；故障分析；工作原理；解决措施中图分类号院TH137文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤31-00怨源-0源Abstract:As the key actuator of the electro-hydraulic servo system,the performance stability of the electro-hydraulic servoactuator has an important impact on the servo system and even the flight control system.In the process of product testing,thepiston rod is required to move smoothly,but in an engineering example,the jitter of the piston rod of the servo actuator occursfrom time to time.Based on the working principle of the electro-hydraulic servo actuator and its components,the problem isanalyzed in detail,and some corresponding solutions are put forward.Keywords:electro-hydraulic servo actuator;piston rod jitter;fault analysis;working principle;solution第一作者简介：王振华（1981-），男，高级工程师。研究方向为装备测控。线位移传感器指令PI 补偿环节放大器伺服阀线圈前 置 级 力矩马达功率级滑阀液压作动器伺服阀线位移测量环节伺服控制器伺服作动器喷管负载DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.31.02294-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期进行排故分析，因此，需对伺服阀和位移传感器的结构和原理了解清晰。1.2电液伺服阀的组成和工作原理电液伺服阀是较为复杂的电液元件，在电液伺服系统中起关键作用。喷嘴挡板力反馈两级电液流量伺服阀结构中，第一级为力矩马达和喷嘴挡板组成的电液转换与功率放大部分，第二级为滑阀液压功率放大部分。其中力矩马达由永久磁铁、上下导磁体、控制线圈和衔铁组件组成，衔铁组件由衔铁、弹簧管、挡板和反馈杆组合而成。当控制线圈输入电流信号时，力矩马达在固定磁通和控制磁通相互作用下输出成比例的力矩，该力矩使衔铁组件以弹簧管为弹性支撑发生偏转，挡板偏离中位并输出一定的位移，使得喷嘴挡板可变节流孔液阻发生变化，喷嘴挡板级向阀芯两端输入相应负载流量和压力，驱动阀芯运动。由于反馈杆小球插入阀芯中间，阀芯的运动带动反馈杆运动，产生反馈力矩。当该反馈力矩与喷嘴挡板液压力矩及输入电信号产生的电磁力矩三者达到平衡时，阀芯将停止运动，此时阀芯位移与控制电流相对应，伺服阀输出一个对应的流量，达到了用电流控制流量的目的。1.3位移传感器的组成和各部件的作用位移传感器用于测量作动器活塞杆位移反馈信号，是实现伺服系统闭环控制的关键环节。传感器主要由电阻组件、刷握组件、座和拉杆等组成（图 2）。注：1 为电阻组件；2 为刷握组件；3 为座；4 为拉杆。图 2传感器结构简图电阻组件包含骨架、电阻体和导电条。骨架起支撑作用；电阻体是树脂和石墨的混合物，树脂和石墨按一定配方加入混合溶剂并经球磨成为符合要求的导电液，然后，用喷涂法或印制法喷在绝缘材料做成的骨架上；导电条是为引出信号而专门设立的，为避免使用运动的导线来引出信号，在电阻体旁粘贴一条长条形金属带或印制一条银带，传感器的电刷横跨电阻体和导电条上，将电压信号引到导电条上。刷握组件由刷握和导向销、电刷等组成。刷握用以支撑电刷和导向销；导向销在座的槽中滑动，一是起导向、防转作用，二是使刷握在受振动时，不致因产生过大的上下摆动而影响电刷的接触可靠性。座（壳体，上、下盖板）和拉杆，是安装电阻组件和连接电刷组件的基础，使其成为一个整体。2伺服作动器活塞杆抖动问题原因分析2.1伺服作动器活塞杆出现抖动问题的表现伺服作动器活塞杆抖动问题通常是在产品测试过程中通过异常响声而发现的，如某产品伺服舱空气舵出现明显响声，排除了测试过程中存在干扰的可能性后，进一步检查作动器，发现活塞杆在运动过程中存在抖动。也有因测试曲线异常而发现活塞杆抖动问题的情况，某伺服作动器线位移曲线输出异常的状态如图3 所示，该曲线显示作动器运动过程中存在一定幅度的抖动。实际工程实例中，位移曲线抖动的幅度和表现会有差异。图 3伺服作动器线位移输出异常曲线2.2活塞杆抖动问题的故障原因分析2.2.1伺服作动器外部因素引起的故障当作动器活塞杆出现抖动现象时，首先对作动器产品上一级和同级影响因素进行排查，如图 4 所示。图 4伺服作动器位移曲线输出异常外部影响因素1234时间/ms2 5502 5602 57010-1伺服作动器位移曲线输出异常伺服控制器问题喷管负载特性差导伺服液压能源问题测试系统采集问题伺服电缆网问题地面能源问题干扰问题伺服系统产品问题伺服作动器产品问题95-2023 年 31 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application1）喷管负载特性差异。喷管作为伺服作动器的负载，其特性的差异对伺服作动器的特性会产生一定的影响，当发动机喷管负载压差曲线无异常，且其他作动器匹配该发动机喷管负载无异常时，此模式可以排除。2）测试系统采集问题。更换不同测试系统，当多次采集作动器位移曲线，如几次测试中均存在曲线不同程度的抖动，说明在不同的测试设备下，伺服作动器线位移抖动现象均存在，则该故障模式可以排除。3）地面能源问题。地面能源通常需要完成多台产品的测试，对比其他作动器测试表现，较易排除此模式。4）干扰问题。对比作动器已完成的不同工位、不同的能源系统及测控系统测试情况，如作动器测试曲线没有明显差异，该模式可以排除。5）伺服控制器问题。当作动器位移和压差曲线变化、角位移测试曲线变化一致时，可排除伺服控制器引起曲线波动的模式。6）伺服液压能源问题。对伺服液压能源高压压力曲线进行检查，与其他未出现抖动问题作动器所用伺服液压源的额定工作压力波动情况进行对比，当波动水平无明显差异时，该模式可以排除。7）伺服电缆网问题。对伺服电缆网进行导通、绝缘测试，若测试正常，则此故障模式可以排除。2.2.2伺服作动器内部因素故障分析从伺服作动器自身结构或者影响作动器运动的元件来分析原因，主要包括作动器活塞杆、驱动作动器运动的伺服阀、活塞杆位移测量及反馈元件线位移传感器 3 个方面。问题分析故障树如图 5 所示。图 5伺服作动器活塞杆抖动问题故障树1）活塞杆表面质量问题。当活塞杆的外表面存在划伤、表面凹坑时，活塞杆运动时输出的位移曲线会存在波动。可通过分解伺服作动器，检查活塞杆表面镀铬层是否完整、光洁度是否满足要求来进行该项排查。2）伺服阀产品问题。由伺服阀产品问题造成作动器活塞杆抖动的情况，主要是由于伺服阀零位不稳定或者阀芯运动卡滞，包括如下几种情况。一是衔铁组件各零件联接处发生松动。衔铁组件由衔铁、弹簧管、挡板和反馈杆组成，通常采用压装或焊接的方式联接成一体，该联接发生松动时会造成伺服阀的零位不稳定，导致伺服系统的零位补偿电流出现随机的变化，从而造成伺服作动器在定点指令位置附近出现抖动的情况。可以通过伺服阀空载流量曲线测试检查零位，用手轻触衔铁组件，检查伺服阀零位回复情况是否一致来判断，不一致则代表衔铁组件松动，解决措施为更换衔铁组件。二是前置级不稳定。前置级不稳定包括衔铁组件在无指令信号时上下摆动和伺服阀喷嘴腔中位压力波动，会造成伺服阀零位呈有规律性的正负交替，从而导致作动器静态位置不稳，产生抖动。前者是由于力矩马达纯刚度偏小，衔铁组件振动幅度较高且频率较低时肉眼可观察到，也可以通过观察前置级两腔和负载两腔压力表是否稳定来判断，解决措施是对力矩马达进行退磁处理；后者是由左右控制喷嘴加工质量差造成的（小孔射流表现散射、斜射、分叉），且喷嘴腔中位压力波动还会造成衔铁组件、阀芯的位置不稳定，解决措施为先更换油滤节流孔、平衡阻尼器或者回油阻尼孔，效果不明显时更换射流质量较好的喷嘴。需要提出的伺服阀产品问题伺服作动器活塞杆抖动位移传感器产品问题活塞杆表面质量问题伺服阀阀芯运动卡滞电阻膜或导电条表面存在缺陷电刷散丝刷握导向销偏斜前置级不稳定衔铁组件联接松动反馈杆小球与阀芯配合松动96-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 31 期是，当衔铁组件振动或者喷嘴压力波动频率较高时，伺服阀可能出现啸叫并导致作动器两腔出现压差自振。三是反馈杆小球与阀芯配合松动。反馈杆端部的小球与伺服阀阀芯中部的环槽采用精密的微小间隙配合使得阀芯运动的同时带动反馈杆产生变形，从而实现力反馈回路。当反馈杆小球出现明显磨损后，小球与阀芯环槽的间隙变大，则力反馈回路在零位附近（阀芯换向位置）处于开环状态，导致伺服阀的零位出现波动，最终导致作动器活塞杆往复窜动现象。检查反馈杆小球表面质量与阀芯配合情况，当小球表面无磨损痕迹，且在光滑平面上，反馈杆垂直阀芯轴线沿水平方向拖动时，阀芯能够滑动，则可以排除此故障模式。此种故障的解决措施为重配反馈杆小球，更换衔铁组件。四是伺服阀阀芯运动卡滞。伺服系统自身是一个动态平衡的过程，通过伺服阀阀芯在阀套中运动的输出流量控制伺服作动器的位移。当阀芯或阀套零件存在毛刺，或者配合表面存在高点，以及因高温产生形变等情况时，伺服阀滑阀副运动将出现卡滞的情况，阀芯位移变化连续性变差，从而导致输出流量连贯性变差，导致作动器活塞杆位移曲线表现出爬行甚至抖动的情况。复测伺服阀分辨率，分解伺服阀，检查不同角度下阀芯在阀套内的运动灵活性，当分辨率较大，灵活性相对较差时，则该类故障不可排除。解决措施为满足伺服阀静耗量要求和间隙值要求前提下返修阀芯、阀套或重配阀芯、阀套。3）位移传感器产品问题。线位移传感器用于测量活塞杆位移反馈信号，作为伺服系统的反馈元件，其输出信号稳定性很关键，若位移反馈信号跳变，则与指令信号比较后经伺服放大器放大的控制信号也就叠加了跳变的信号，馈入系统回路后导致作动器抖动。通常情况下，位移传感器输出异常时，解决措施是更换位移传感器。该问题发生的原因包括以下几种情况。一是电阻膜或导电条表面存在缺陷。传感器的刷握组件装在作动器活塞杆上随作动器活塞杆运动，刷握组件的电刷分 2 个部分，一部分在电阻膜上滑动，另一部分在导电条表面滑动，若位移传感器电阻膜或导电条与电刷接触的运动轨迹表面存在凹凸不平的缺陷，则会导致电刷在行进中产生跳动，输出电压不连续，经伺服控制回路放大后，造成作动器活塞杆运动不平稳。在高倍显微镜下分别检查电阻膜和导电条，检查表面是否有明显的缺陷，电刷的运动轨迹是否连续，复测电阻膜的阻值和线性是否满足技术条件要求，若检查过程均无异常，则可排除位移传感器电阻膜或导电条表面存在缺陷造成活塞杆抖动的原因。二是电刷散丝。位移传感器电刷散丝会造成电刷接触电阻变化，引起系统运动不平稳甚至出现抖动。检查传感器电刷刷丝，若无散丝现象，可排除电刷的影响。三是刷握导向销偏斜。刷握导向销偏斜时，活塞杆运动过程中，导向销与导向槽内壁接触摩擦，传感器刷握运动不平稳，会使得电刷在板片上运动不连续，输出不连续的位移反馈信号，最终导致作动器活塞杆运动不平稳。可在单工位负载台上进行循环排气，检查导向销有无偏斜，运动是否平稳，导向槽侧壁是否有明显划痕，若无异常可排除导向销的影响。3结束语本文从伺服阀作动器的工作原理及影响活塞杆运动性能的各个环节出发，给出了活塞杆抖动问题产生的几种原因，进行了详细的故障模式分析，并给出了一些解决措施。参考文献院1 H.E.梅里特.液压控制系统M.北京：科学出版社，1976.2 李洪人.液压控制系统M.北京：国防工业出版社，1981.3 袁希光.传感器技术手册M.北京：国防工业出版社，1986.4 王占林.近代电气液压伺服控制M.北京：北京航空航天出版社，2005.5 田源道.电液伺服阀技术M.北京：航空工业出版社，2007.6 钱平.伺服系统M.北京：机械工业出版社，2011.7 阎耀保.极端环境下的电液伺服控制理论M.上海：上海科学技术出版，2012.8 胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，2013.9 王文深，王宝铭.液压与气动M.北京：机械工业出版社，2013.97-