液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)問題的研究

王宏斌

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西西安 710077）

某液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí)，在閉環(huán)、空載狀態(tài)下，給產(chǎn)品雙通道上電，輸入0VDC 指令后,系統(tǒng)出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象，抖動(dòng)持續(xù)約50ms 后停止。故障發(fā)生后，將油液溫度由高溫80±5℃降至常溫20±5℃，然后進(jìn)行空載試驗(yàn)：閉環(huán)狀態(tài)下，輸入0VDC 指令信號(hào),電磁閥上電后，產(chǎn)品輸出端出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象，監(jiān)控產(chǎn)品傳感器反饋電壓在-0.13Vdc～+0.07Vdc（抖動(dòng)幅值0.2V）之間抖動(dòng)衰減，1 個(gè)抖動(dòng)循環(huán)后停止，整個(gè)過程持續(xù)約50s。

1 液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)工作原理

液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)工作原理：輔助控制器發(fā)出指令信號(hào)后，PDU的主控電磁閥通電接通供壓，制動(dòng)器解除制動(dòng)。同時(shí)PDU 的伺服閥根據(jù)指令信號(hào)，向液壓馬達(dá)提供液壓功率。液壓液壓馬達(dá)將液壓功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率并經(jīng)齒輪箱輸出。各傳動(dòng)軸將PDU 輸出的機(jī)械功率傳遞給GRA，GRA 在機(jī)械功率驅(qū)動(dòng)下帶工作。工作到位后，運(yùn)動(dòng)位置由PDU 上角位移傳感器反饋給輔助控制器，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可按指令信號(hào)停止在要求位置。其功能框圖如圖1 所示。

圖1 液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)功能框圖

PDU 液壓驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)品主要由液壓馬達(dá)、控制閥塊、制動(dòng)器、電液伺服閥、齒輪箱、角位移傳感器組成，其工作原理為：輔助控制器發(fā)出指令信號(hào)后，PDU 的電磁閥通電接通供油，制動(dòng)器解除制動(dòng)。同時(shí)，PDU 的電液伺服閥根據(jù)指令信號(hào)，向液壓馬達(dá)提供液壓功率，液壓馬達(dá)將液壓功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率并經(jīng)齒輪箱輸出。產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)過程中，PDU 上的角位移傳感器將產(chǎn)品對應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度反饋給輔助控制器，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，可按指令信號(hào)停止在要求位置。電液伺服閥根據(jù)指令信號(hào)控制產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)速度，在行程末端可靠運(yùn)動(dòng)至要求位置。

2 啟動(dòng)抖動(dòng)因素分析

根據(jù)液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)及PDU 產(chǎn)品工作原理及抖動(dòng)情況，分析認(rèn)為導(dǎo)致抖動(dòng)的因素包括：油液溫度變化、產(chǎn)品慣量及負(fù)載、系統(tǒng)匹配裕度、供油壓力沖擊、伺服閥穩(wěn)定性等。本次研究逐一進(jìn)行分析、驗(yàn)證，具體如下：

2.1 油液溫度變化的影響

通過在出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的不同產(chǎn)品上進(jìn)行常溫和高溫油液下測試對比，發(fā)現(xiàn)油液溫度僅對啟動(dòng)抖動(dòng)的量值有影響，但不是造成啟動(dòng)抖動(dòng)的原因：在常溫油液下出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的產(chǎn)品，在高溫油液下也會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)。常溫油液下測試，抖動(dòng)幅值約0.1V～0.35V，抖動(dòng)循環(huán)次數(shù)一般在0.5～2 次，抖動(dòng)時(shí)間從4s～50s，在高溫油液下測試，抖動(dòng)幅值約0.2V～0.4V，抖動(dòng)循環(huán)次數(shù)約2～27 次不等，抖動(dòng)時(shí)間從4s～40s；詳見表1。

表1 常溫和高溫油液（80±5℃）下抖動(dòng)情況

從數(shù)據(jù)上看，大部分高溫油液下抖動(dòng)幅值和次數(shù)較常溫油液下多，而持續(xù)時(shí)間較常溫下短。

2.2 產(chǎn)品慣量及負(fù)載的影響

選取編號(hào)為001#的PDU 和編號(hào)為001#的系統(tǒng)進(jìn)行測試。通過對PDU 單獨(dú)空載測試與系統(tǒng)聯(lián)試并帶上艙門慣量以及增加外部載荷試驗(yàn)對比，發(fā)現(xiàn)帶上慣量和載荷后，產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)的幅值增加了36%～136%，次數(shù)減少了50%～62.5%，時(shí)間增加了54%～85%，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 慣量及載荷影響數(shù)據(jù)

從數(shù)據(jù)上看，外部載荷以及傳動(dòng)軸、GRA、負(fù)載等慣量環(huán)節(jié)，會(huì)對抖動(dòng)的幅值、次數(shù)和時(shí)間有影響，但不是引起抖動(dòng)的直接因素。

2.3 系統(tǒng)匹配裕度的影響

對液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到系統(tǒng)的幅頻曲線和相頻曲線，如圖2 所示。系統(tǒng)頻帶寬度約為2.35Hz（對應(yīng)-3dB時(shí)），且頻帶寬度內(nèi)成收斂曲線，說明系統(tǒng)穩(wěn)定；同時(shí)從相頻曲線上反映相位滯后約為28.4°（對應(yīng)1Hz 時(shí)），說明系統(tǒng)跟隨性好。

圖2 液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

通過對產(chǎn)品仿真分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品頻帶寬度大，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性高，說明與系統(tǒng)匹配關(guān)系不大。

2.4 供油壓力沖擊的影響

選取編號(hào)為002#的PDU 的試驗(yàn)件進(jìn)行測試，根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電磁閥啟動(dòng)瞬間會(huì)在伺服閥的P 口產(chǎn)生壓力沖擊，峰值約28～30MPa。該現(xiàn)象每臺(tái)產(chǎn)品均會(huì)出現(xiàn)，且峰值壓力與額定壓力相差的量值不大，屬于正常現(xiàn)象。

另外，通過分別在28、25、20、15MPa 不同的進(jìn)油壓力下進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)整體上壓力越小，啟動(dòng)抖動(dòng)幅值、次數(shù)、時(shí)間趨勢上減小，其中從28MPa～15MPa，啟動(dòng)抖動(dòng)幅值平均減小了47%，次數(shù)平均減少了50%，時(shí)間平均減少了58%，數(shù)據(jù)見表3。從數(shù)據(jù)分析，壓力越低，產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)幅值、次數(shù)和時(shí)間均有減少，但不會(huì)消除，排除壓力沖擊對產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)的影響。

表3 不同壓力下抖動(dòng)情況

2.5 伺服閥穩(wěn)定性的影響

將出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的產(chǎn)品配套的伺服閥，裝配到其它產(chǎn)品上進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)仍出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的現(xiàn)象，且幅值，循環(huán)次數(shù)，持續(xù)時(shí)間基本一致，數(shù)據(jù)見表4。

表4 配裝不同基體對抖動(dòng)的影響

通過更換未出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的產(chǎn)品配套的電液伺服閥，該現(xiàn)象可消除。說明產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)問題主要與伺服閥有關(guān)。

為了進(jìn)一步分析伺服閥的參數(shù)對系統(tǒng)抖動(dòng)的影響，對近43 臺(tái)伺服閥數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)：高溫啟動(dòng)抖動(dòng)主要與伺服閥的滑閥間隙和內(nèi)漏有一定的相關(guān)性，伺服閥其它性能指標(biāo)未發(fā)現(xiàn)有明顯關(guān)系。

根據(jù)表5 統(tǒng)計(jì)，得到以下結(jié)論：

表5 伺服閥數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

結(jié)論1：滑閥間隙越大，合格率越高，間隙接近4μm 的閥，合格率達(dá)到89%。

表2 中滑閥間隙在2μm～2.5μm的閥共4 臺(tái)，合格率50%；滑閥間隙在3μm～3.5μm 的閥共12 臺(tái)，合格率50%；滑閥間隙在4μm 的閥共27 臺(tái)，合格率89%。

結(jié)論2：內(nèi)漏量值大于0.81L/min 時(shí)，伺服閥的合格率較高，不合格伺服閥也能排除60%。

結(jié)論3：滑閥間隙為4μm，內(nèi)漏量＞0.81L/min，合格率將達(dá)到100%。

從表5 中篩選出滑閥間隙為4μm 的25 臺(tái)伺服閥，其中內(nèi)漏量值＞0.81L/min 的伺服閥在隨產(chǎn)品測試過程中均未出現(xiàn)高溫啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象。

對3 臺(tái)出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)的伺服閥，選取1801063001G 的這臺(tái)伺服閥分解檢查，發(fā)現(xiàn)滑閥間隙有所減小，為3μm；在其它參數(shù)不變的前提下，通過將該臺(tái)閥的滑閥間隙返修至6μm 后重新配套產(chǎn)品測試，未再出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)一步說明滑閥間隙對啟動(dòng)抖動(dòng)的直接影響。

為進(jìn)一步驗(yàn)證滑閥間隙與產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)的關(guān)系，選取一臺(tái)高溫油液下啟動(dòng)抖動(dòng)的產(chǎn)品配套的伺服閥（1707063035G），將滑閥間隙進(jìn)行增大后隨產(chǎn)品重新進(jìn)行高溫油液下啟動(dòng)抖動(dòng)檢查，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象消除。同時(shí)選取兩臺(tái)試驗(yàn)件，將滑閥間隙調(diào)整至6μm，隨產(chǎn)品進(jìn)行高溫啟動(dòng)抖動(dòng)檢查，測試結(jié)果正常，未出現(xiàn)啟動(dòng)抖動(dòng)現(xiàn)象。對采取上述措施的20 臺(tái)伺服閥進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，控制滑閥間隙上限4μm，內(nèi)漏＞0.81L/min 的伺服閥，合格率達(dá)到100%。

3 結(jié)論

根據(jù)仿真及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：

3.1 伺服閥滑閥間隙和內(nèi)漏是造成產(chǎn)品啟動(dòng)抖動(dòng)的主要因素，通過控制伺服閥滑閥間隙和內(nèi)漏，可有有效解決液壓伺服作動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)抖動(dòng)問題。

3.2 油液溫度變化和產(chǎn)品慣量及負(fù)載不是引起啟動(dòng)抖動(dòng)的直接因素，但會(huì)對抖動(dòng)的幅值、次數(shù)和時(shí)間有影響。

3.3 系統(tǒng)匹配裕度、供油壓力沖擊與啟動(dòng)抖動(dòng)無關(guān)。