某型電液伺服閥零偏故障分析*

廉晚祥,關(guān) 莉,王 雷,胡鵬濤,劉文斌,齊嬋穎

(航空工業(yè)慶安集團有限公司,陜西 西安 710000)

0 引 言

為了改善發(fā)動機起動、低轉(zhuǎn)速、減速、打開反推等工況下的性能及工作范圍并消除可能發(fā)生的壓氣機喘振問題,設(shè)計了進口導流葉片、多級可調(diào)靜子葉片和放氣等機構(gòu)。其中導葉控制裝置[1-2]主要用于調(diào)節(jié)葉片角度,防止發(fā)動機喘振。

導葉控制裝置中的電液伺服閥主要用于為導葉控制裝置活塞分配油液,控制活塞往復(fù)運動,以此達到控制導流葉片角度的目的。因此,電液伺服閥正常工作具有重要意義,其發(fā)生故障會對導葉控制裝置的正常工作產(chǎn)生直接影響[3-5]。

筆者以某型導葉控制裝置使用時存在的靜差故障問題為例,通過對導葉控制裝置的工作機理分析,確定造成該現(xiàn)象的原因為電液伺服閥零偏問題,基于此建立故障樹,分析可能引發(fā)產(chǎn)品零偏故障的故障模式,定位故障原因,最終提出改進措施并進行試驗驗證,故障研究為后續(xù)電液伺服閥同類故障排除提供了參考和借鑒。

1 導葉控制裝置工作原理

導葉控制裝置由電液伺服閥、電磁閥、線位移傳感器、殼體、活塞、轉(zhuǎn)換閥等組成,如圖1所示。液壓系統(tǒng)正常工作,電磁閥不通電,轉(zhuǎn)換閥處于關(guān)閉狀態(tài)時,導葉控制裝置進入電液伺服閥I工作模態(tài),接收發(fā)動機電子控制器的指令,電液伺服閥I控制油液通過轉(zhuǎn)換閥進入控制裝置活塞兩腔,產(chǎn)生液壓力,提供導流葉片角度偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動力;電磁閥通電,轉(zhuǎn)換閥處于打開狀態(tài)時,導葉控制裝置進入電液伺服閥II工作模態(tài),接收發(fā)動機電子控制器的指令,電液伺服閥II控制油液通過轉(zhuǎn)換閥進入到控制裝置活塞,產(chǎn)生液壓力,提供導流葉片角度偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。同時控制裝置活塞內(nèi)置的線位移傳感器(LVDT)將位置反饋給發(fā)動機電子控制器。

圖1 導葉控制裝置原理圖

2 電液伺服閥工作原理

電液伺服閥由力矩馬達、液壓放大器和功率級滑閥組成,如圖2所示。輸入電流信號通過線圈在銜鐵氣隙中產(chǎn)生控制磁通,控制磁通與極化磁通相互作用產(chǎn)生電磁旋轉(zhuǎn)力矩驅(qū)動銜鐵旋轉(zhuǎn)[6]。銜鐵帶動射流槽偏轉(zhuǎn)使通過射流片射出的液流流入左、右固定接收孔的動量發(fā)生相應(yīng)變化,閥芯兩端受到動量不等的射流作用,從而驅(qū)動閥芯運動。于是第一級液壓放大器將信號電流轉(zhuǎn)化為滑閥級閥芯兩端的壓差,繼續(xù)驅(qū)動閥芯運動[7]。閥芯運動將拖動反饋桿移動,產(chǎn)生的反饋力矩反饋到力矩馬達上,直到電流信號產(chǎn)生的力矩與反饋桿產(chǎn)生的反饋力矩、偏轉(zhuǎn)板上的液動力力矩相平衡時,閥芯將停留在某一位移XV上,使輸入信號與閥芯輸出位移XV成比例,并通過滑閥副的節(jié)流作用轉(zhuǎn)化為流量線性輸出。

圖2 電液伺服閥原理圖

3 零偏故障原因分析

3.1 影響因素分析

對導葉控制裝置的工作過程進行分析,導葉控制裝置發(fā)生故障的主要表征有:導葉控制裝置控制時存在靜差,其中造成靜差故障的原因可能為電液伺服閥零偏異常和線位移傳感器精度異常故障。

基于電液伺服閥的工作原理,并結(jié)合此次故障現(xiàn)象開展零偏相關(guān)影響因素及其失效狀態(tài)分析,梳理可能導致導葉控制裝置電液伺服閥故障的原因,主要表現(xiàn)為馬達前置級位移、限位螺釘滑移、射流接收器單側(cè)堵塞和限位螺釘突出量過大為四個方面的因素。電液伺服閥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電液伺服閥結(jié)構(gòu)圖

3.2 失效狀態(tài)分析

前置級位移發(fā)生零偏失效時,主要表現(xiàn)為前置級放大器安裝座發(fā)生偏移,引起射流口與接受口的相對位置發(fā)生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產(chǎn)生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產(chǎn)生零偏。

限位螺釘滑移引起零偏失效時,銜鐵兩端的工作氣隙不對稱,產(chǎn)生的磁力不相等,造成銜鐵組件偏移,射流偏轉(zhuǎn)板發(fā)生偏移,射流口與接受口的相對位置發(fā)生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產(chǎn)生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產(chǎn)生零偏。

射流接收器單側(cè)堵塞引起零偏失效時,接收口壓力不相等,使閥芯兩端產(chǎn)生的壓力不平衡,使閥芯在壓力差作用下移動產(chǎn)生零偏。

當限位螺釘突出量過大引起零偏失效時,伺服閥在工作過程中銜鐵與限位螺釘撞擊,引起銜鐵組件變形、彈簧管彈性剛度變化,射流偏轉(zhuǎn)板發(fā)生偏移,射流口與接受口的相對位置發(fā)生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產(chǎn)生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產(chǎn)生零偏。

3.3 故障樹分析

故障樹分析可對引起故障的各種原因進行層層排查分析,包括硬件、軟件以及人為環(huán)境等邏輯因果分析。將系統(tǒng)故障與組成系統(tǒng)各零部件的故障有機聯(lián)系在一起,以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)事件。

基于上述零偏故障的影響因素與失效狀態(tài)分析,建立電液伺服閥故障樹,如圖4所示。以電液伺服閥零偏超差的頂事件為出發(fā)點,向下分解出導致頂事件發(fā)生的4個故障原因:力矩馬達前置級相對殼體發(fā)生位移(X1)、限位螺釘滑移影響氣隙對稱性(X2)、射流接收器單側(cè)堵塞(X3)和限位螺釘突出量過大引起銜鐵撞擊變形(X4),根據(jù)邏輯分析可知,該4個故障原因構(gòu)成了電液伺服閥零偏異常故障的底事件。

圖4 電液伺服閥故障樹

4 故障定位及解決措施

4.1 故障定位及確認

對可能導致電液伺服閥零偏故障的4個故障原因進行分析。首先對導葉控制裝置進行分解檢查,然后對電液伺服閥零偏電流進行檢測,依次對故障原因進行排查分析,最終確認底事件X4(限位螺釘突出量過大引起銜鐵撞擊變形)為可能故障原因,如圖5所示,具體排查方案與排查結(jié)果如表1所列。

表1 零偏故障原因排查方案與結(jié)果

圖5 銜鐵與限位螺釘撞擊實物圖

分解產(chǎn)品上蓋檢查銜鐵氣隙,在投影顯微鏡下測量氣隙大小,結(jié)果如圖6所示。產(chǎn)品左下(θ2)、右上(θ3)氣隙分別小于左上(θ1)、右下氣隙(θ4),且右氣隙限位螺釘突出量大。將力矩馬達分解后,測試銜鐵組件與射流器組合后的液壓特性發(fā)現(xiàn),兩腔壓力相等均為6.4 MPa,與出廠時記錄的產(chǎn)品性能幾乎一致,機械零位未發(fā)生偏移。在顯微投影測試儀上測量銜鐵組件,銜鐵與右側(cè)氣隙配合處發(fā)生變形,且右側(cè)限位螺釘突出量為0.135 mm,突出量較大。經(jīng)與主機溝通,產(chǎn)品在試驗過程中接受了階躍信號,當伺服閥通階躍信號時,銜鐵將與導磁體上限位螺釘撞擊發(fā)生變形。因此,電液伺服閥零位超差的原因為限位螺釘突出量大,使伺服閥工作時銜鐵與之撞擊發(fā)生變形,引起力矩馬達氣隙不對稱,電氣零位發(fā)生偏移,導致伺服閥零偏異常。

圖6 銜鐵變形測試結(jié)果

4.2 改進措施

在電液伺服閥裝配過程中,可通過調(diào)整限位螺釘突出量進行改進。調(diào)整后使用投影顯微鏡檢查限位螺釘?shù)耐怀隽繛?.06±0.02 mm,滿足要求,這樣可以保證產(chǎn)品接收到階躍信號時銜鐵不變形且不吸死。圖7為限位螺釘凸出量改進措施示意圖。

圖7 改進措施示意圖

5 試驗驗證

為驗證故障定位的準確性與改進措施的有效性,需制定試驗驗證方案并開展試驗驗證,如圖8所示。

圖8 銜鐵變形測試試驗

(1) 調(diào)整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,給定電液伺服閥額定電流階躍信號,反復(fù)工作100次,電液伺服閥銜鐵未與限位螺釘發(fā)生碰撞,性能正常。

(2) 調(diào)整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,對電液伺服閥隨導葉控制裝置進行功能性能試驗,試驗發(fā)現(xiàn)電液伺服閥及導葉控制裝置性能正常。

(3) 調(diào)整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,使電液伺服閥及導葉控制裝置隨發(fā)動機進行3 h 37 min試車,電液伺服閥及導葉控制裝置性能正常,發(fā)動機工作正常。

6 結(jié) 語

對某型導葉控制裝置電液伺服閥的外場零偏故障進行了分析與試驗驗證,開展了電液伺服閥零偏故障的影響因素研究,將導葉控制裝置與各零部件的故障有機聯(lián)系在一起,找出了導葉控制裝置可能失效的狀態(tài),建立了電液伺服閥零偏故障樹。通過故障樹梳理出的底事件的分解檢查,以及對電液伺服閥零偏電流的檢測,定位了零偏故障原因為限位螺釘突出量過大。通過調(diào)整限位螺釘突出量,保證產(chǎn)品接收到階躍信號時銜鐵不變形且不吸死。試驗結(jié)果驗證了電液伺服閥零偏異常故障原因定位準確、改進措施有效。