高精度泵控式電液執(zhí)行器研制關(guān)鍵技術(shù)及應用問題解決

牛道東　井健

摘 要：本文就高精度泵控式電液執(zhí)行器的關(guān)鍵技術(shù)進行詳細闡述，并針對技術(shù)應用中出現(xiàn)的一些問題，及其解決方法進行研究。

關(guān)鍵詞：高精度泵控式電液執(zhí)行器;關(guān)鍵技術(shù);問題;解決辦法

泵控式電液執(zhí)行器具有控制精度高、可靠性好、溫度適應范圍廣，廣泛應于油氣管道，用以實現(xiàn)管道輸送壓力、流量精準調(diào)控;以往的電液執(zhí)行器難以同時實現(xiàn)快速和高精度控制，且齒輪泵易磨損，工作壽命短。本文提出一種無外置管路和儲油箱一體化閉環(huán)泵控式液壓系統(tǒng)和一種基于分步式接近的高精度位移閉環(huán)控制算法，解決了液壓缸位移不易精確控制的難題，其控制精度可達0.09%;并首創(chuàng)一種基于類金剛石鍍膜和間隙補償技術(shù)的長壽命齒輪泵，解決了齒輪泵易磨損問題，現(xiàn)詳細闡述如下：

1 高精度位置調(diào)節(jié)技術(shù)

液壓系統(tǒng)采用泵控式方案，依靠內(nèi)部油路集成雙向齒輪泵、液控配流閥、溢流閥、液壓缸等液壓組件，形成閉環(huán)液壓系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，把目標指令信號與位置反饋信號實時比較放大后控制交流伺服電機，繼而控制齒輪泵轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向。液壓驅(qū)動和控制雙閉環(huán)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免外部因素影響定位精度。智能電液執(zhí)行器控制系統(tǒng)軟件運行算法中采用高精度閉環(huán)控制算法，根據(jù)系統(tǒng)運行特性，在接近目標位置過程中，依據(jù)目標位置與反饋位置的差值大小實時調(diào)整控制參數(shù)，實現(xiàn)快速接近，精準到達。采用進回程受力面積相同的雙出桿液壓缸活塞結(jié)構(gòu)，降低因差異性帶來工作狀態(tài)不同對定位精度的影響，其次采用的伺服液壓缸具有低摩擦，無爬行，高響應頻率的特點，能夠降低液壓缸的啟動壓力，提高隨動性，減小液壓慣性對定位精度的影響。在控制系統(tǒng)軟件研制過程中，根據(jù)高低溫輸出特性曲線確定全程補償函數(shù)進行溫度補償，實現(xiàn)全溫范圍下對液壓缸位置的高精度調(diào)節(jié);采用交流伺服電機，具有速度和位置控制精度高，慣量小的特點;采用液位指示結(jié)構(gòu)，保證低壓油腔壓力相對穩(wěn)定，為雙向齒輪泵提供穩(wěn)定泵前壓力，確保不同溫度下具有相對穩(wěn)定的流量品質(zhì)，降低溫度對定位精度的影響。

2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

智能電液執(zhí)行器由雙向齒輪泵提供高壓液壓油作為液壓系統(tǒng)輸入，由伺服液壓缸將液壓油內(nèi)能轉(zhuǎn)化為動能作為液壓系統(tǒng)輸出，在雙向齒輪泵與伺服液壓缸之間需要有一套液壓控制系統(tǒng)，用來保證產(chǎn)品在不同負載下正常運轉(zhuǎn)、待機狀態(tài)的長期鎖定、泵前壓力的相對穩(wěn)定和液壓系統(tǒng)的安全性。為實現(xiàn)上述復雜功能，需要開展液壓控制系統(tǒng)研究，因此將液壓控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)之一。液壓控制系統(tǒng)包含液控配流閥和溢流閥兩部分。

3 雙向齒輪泵長期穩(wěn)定技術(shù)

雙向齒輪泵是液壓系統(tǒng)中的動力源，保證齒輪泵工作穩(wěn)定，關(guān)鍵是要保證齒輪泵的效率，尤其是容積效率穩(wěn)定一致，應采用以下措施：①齒輪泵長期工作后，主從動齒輪與泵腔、軸與軸承孔都會發(fā)生磨損，使得配合間隙發(fā)生變化，降低齒輪泵性能甚至引起齒輪泵報廢，因此，需要采用特種工藝措施來提高旋轉(zhuǎn)接觸工作零部件表面硬度，通過對比篩選對齒輪齒面和出入軸旋轉(zhuǎn)表面采用類金剛石鍍膜技術(shù)可以提高接觸工作表面硬度，延長其使用壽命。經(jīng)過該項技術(shù)處理的齒輪泵具有壽命長、長期工作穩(wěn)定性好、通用性強、效率高和噪聲低等優(yōu)點，能夠保證產(chǎn)品長期工作的穩(wěn)定性;②采用軸向間隙和徑向間隙的補償技術(shù)，減少端面泄漏和徑向泄漏，從結(jié)構(gòu)上穩(wěn)定了容積效率，確保齒輪泵工作穩(wěn)定。

4 性能測試技術(shù)

智能電液執(zhí)行器屬于機電一體化設(shè)備，在研制過程中，對行程的高精度測量測定、提供滿足要求的運動范圍以及復雜多變的外部載荷環(huán)境、對關(guān)鍵組件的獨立檢測、還有作動液壓油填充效率等至關(guān)重要，直接影響著產(chǎn)品的性能確認、改進優(yōu)化等方面，因此，將智能電液執(zhí)行器的性能測試技術(shù)確定為關(guān)鍵技術(shù)之一。智能電液執(zhí)行器的性能測試技術(shù)主要包含四個部分：模擬負載試驗系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、齒輪泵測試系統(tǒng)、液壓油加注系統(tǒng)。通過這四大系統(tǒng)分別實現(xiàn)對液壓缸輸出力大小的控制;確保檢測真實有效;優(yōu)化齒輪泵工藝，提高產(chǎn)品可靠性;提高齒輪泵的效率。

5 研制過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題及解決情況

5.1 齒輪泵磨損嚴重

雙向齒輪泵經(jīng)過長時間的磨合，會產(chǎn)生碎屑，產(chǎn)生碎屑留在閉環(huán)系統(tǒng)中，往復循環(huán)，積累過多的碎屑會造成齒輪泵卡死，或者造成閥桿動作不靈活，最終導致智能電液執(zhí)行器無法正常工作。齒輪泵磨損問題采取解決措施：①通過熱處理提高齒面和殼體硬度，并保持適當?shù)挠捕炔?②齒面和主、從動軸采用表面處理，進一步提高齒面硬度;③齒輪泵在裝入電動模塊之前，還要單獨進行跑合試驗后，分解確認零件完好后再進行清洗重裝;④每次液壓系統(tǒng)加油時，需對液壓元件進行清洗或用新油置換，保證系統(tǒng)中只有干凈的新液壓油。改進齒輪泵經(jīng)磨合試驗驗證，齒輪泵流量穩(wěn)定，運行平穩(wěn)，無雜音;磨合后分解發(fā)現(xiàn)主動從動齒輪及軸外觀無明顯磨損痕跡，液壓油清澈無雜質(zhì)。

5.2 采集電路電容與現(xiàn)場長電纜LC諧振現(xiàn)象

智能電液執(zhí)行器于2017年12月6日現(xiàn)場安裝調(diào)試過程中，在電纜連接完畢后進行功能及性能調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)控制機給定信號達到20mA（即100%）后，閥位開度無法達到100%，并且在95%附近震蕩，無法達到穩(wěn)定狀態(tài)。

給智能電液執(zhí)行器控制系統(tǒng)信號采集電路接口處串聯(lián)一個150Ω電阻，破壞LC串聯(lián)諧振的條件，問題現(xiàn)象即消失。對產(chǎn)品進行充分測試，在控制信號4～20mA范圍內(nèi)，未發(fā)生信號諧振現(xiàn)象，智能電液執(zhí)行器控制準確，性能穩(wěn)定。后續(xù)需要對產(chǎn)品接口電路進行改進設(shè)計，增加消除串聯(lián)諧振的措施，確?？刂葡到y(tǒng)連接任何長度的電纜均不會發(fā)生諧振問題，徹底杜絕該現(xiàn)象的發(fā)生。

5.3 中山站1221現(xiàn)象

2017年12月21日上午9點21時發(fā)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)控制信號、現(xiàn)場屏幕顯示及智能電液執(zhí)行器實際閥位都是0%，但SCADA閥位反饋信號顯示為100%。SCADA系統(tǒng)記錄的曲線現(xiàn)象異常。

對控制軟件閥位反饋模塊中變量傳輸過程的賦值進行限定，完善邊界條件控制，使其不能以負數(shù)補碼形式出現(xiàn)，避免變量傳輸過程出現(xiàn)類似問題。同時對20mA以上邊界信號以同樣形式舉一反三，并分析軟件中其他類似模塊，采取相應措施，避免類似問題出現(xiàn)。更改完成后對控制系統(tǒng)軟件進行重新寫入，并在SCADA系統(tǒng)控制信號端采用信號源測試驗證，將輸入電流以0.01mA為步長由4mA逐漸調(diào)低到3.5mA，從20mA調(diào)高到20.5mA，問題均未復現(xiàn)。隨后恢復系統(tǒng)連接狀態(tài)，采用SCADA系統(tǒng)對智能電液執(zhí)行器進行多次往返和無規(guī)律動作，SCADA系統(tǒng)閥位反饋、控制信號及控制箱屏幕顯示值均一致。再對智能電液執(zhí)行器進行斷電、斷信號及輸入超范圍等異常情況測試，智能電液執(zhí)行器均能正常工作。

5.4 外觀日曬褪色問題

智能電液執(zhí)行器在工業(yè)應用試驗中期外觀檢查時發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品外表面褪色部位采用鋁合金黑色鉻酸陽極化表面處理，在長期光照條件下，黑色有機物染色劑部分成分會分解氧化，從鋁合金陽極氧化膜孔隙間揮發(fā)，導致染料變色發(fā)黃發(fā)褐。為了解決長期曝曬褪色問題，開展不同陽極化曝曬試驗（見表1）。6-10月經(jīng)過夏季室外4個月曝曬試驗前后對比，03號試件經(jīng)曝曬后外觀狀態(tài)變化最小。決定后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)，按此狀態(tài)進行表面處理。

作者簡介：

牛道東，男，漢族，河南南陽人，大學本科，工科學士，職稱：工程師，研究方向：儀器儀表。

井健，男，漢族，陜西白水人，工學碩士，高級工程師，研究方向：測控設(shè)備設(shè)計。