不同振動(dòng)條件下伺服閥彈簧管開裂試驗(yàn)

楊 健,凌揚(yáng)洋,馬德江,張小潔

(1.海軍裝備部 上海局駐南京地區(qū)第一軍事代表室,江蘇 南京 210006;2.南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210006)

引言

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)中的重要控制元件,在系統(tǒng)中起電液轉(zhuǎn)換和功率放大作用,電液伺服閥的性能和可靠性將直接影響系統(tǒng)的性能和可靠性。電液伺服閥中的彈簧管具有彈性支撐、力矩與角度轉(zhuǎn)換、油液密封等重要作用,對(duì)整閥的可靠工作具有決定性影響[1-5]。一般而言,伺服閥彈簧管壁厚僅幾十微米[6],在極端振動(dòng)環(huán)境下容易發(fā)生破裂,進(jìn)而造成伺服閥故障和油液泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)失控。

對(duì)于伺服閥彈簧管的失效,劉新靈等[7]統(tǒng)計(jì)分析了某電液伺服閥13個(gè)失效彈簧管的開裂情況,采用外管分析、斷口分析和金相組織分析等方法,研究了彈簧管斷裂特征與機(jī)理。涂均[8]通過對(duì)故障件熱處理后材料的分析發(fā)現(xiàn),彈簧管在固溶處理過程中加熱溫度過高使材料發(fā)生過燒以致晶粒粗大,使彈簧管在工作過程中發(fā)生應(yīng)力集中從而發(fā)生破裂。劉玉龍[9]對(duì)力矩馬達(dá)的模態(tài)和諧響應(yīng)進(jìn)行了分析并建立了模型,發(fā)現(xiàn)力矩馬達(dá)諧振時(shí)最大應(yīng)力和應(yīng)變出現(xiàn)在彈簧管圓角處。張亮等[10-11]采用有限元分析方法對(duì)伺服閥銜鐵組件進(jìn)行了模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)銜鐵組件的諧振峰值主要集中在低頻范圍內(nèi)。彭敬輝[12]針對(duì)不同安裝方式下力矩馬達(dá)銜鐵組件建立了有限元模型并對(duì)其模態(tài)進(jìn)行了分析。夏天等[13]運(yùn)用有限元方法得到了在不同溫度下的銜鐵組件固有頻率,并且對(duì)在高溫條件下受高頻激勵(lì)脈沖影響的銜鐵組件進(jìn)行諧響應(yīng)分析。呂欣倍[14]通過分析,建立了噴嘴擋板式電液伺服閥銜鐵組件分布參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型,采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法研究銜鐵組件柔性部件的模態(tài)信息和振動(dòng)方式,分析不同外載荷作用下銜鐵組件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。張卓磊等[15]針對(duì)振動(dòng)環(huán)境下伺服閥彈簧管易出現(xiàn)疲勞破裂的問題,建立振動(dòng)環(huán)境下射流偏轉(zhuǎn)板伺服閥數(shù)學(xué)模型,求解彈簧管受力狀態(tài)及其薄壁根部循環(huán)應(yīng)力值,提出了極端振動(dòng)環(huán)境下伺服閥彈簧管疲勞強(qiáng)度校核方法。訚耀保等[16]建立了射流管伺服閥力矩馬達(dá)的隨機(jī)振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型,通過分析,得到了力矩馬達(dá)各部件的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)功率譜密度、應(yīng)變和應(yīng)力值。

本研究以某型伺服閥在隨整機(jī)振動(dòng)過程中出現(xiàn)的彈簧管開裂現(xiàn)象為契機(jī),通過不同試驗(yàn)驗(yàn)證了不同振動(dòng)臺(tái)、不同振動(dòng)夾具以及同一整機(jī)下不同安裝位置對(duì)伺服閥彈簧管在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的影響。

1 電液伺服閥工作原理

雙噴嘴擋板力反饋電液伺服閥,采用力矩馬達(dá)作為電器—機(jī)械轉(zhuǎn)換器,雙噴嘴擋板閥作為第一級(jí)液壓放大器,四通滑閥作為第二級(jí)液壓放大器。其中力矩馬達(dá)主要由上磁導(dǎo)體、下磁導(dǎo)體、銜鐵、永久磁鐵、線圈(左線圈、右線圈)、彈簧管及擋板組成;雙噴嘴擋板閥由擋板及參數(shù)相同的2個(gè)噴嘴和2個(gè)固定節(jié)流孔組成; 四通滑閥則由閥芯和閥套組成。伺服閥結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

1.下導(dǎo)磁體 2.上導(dǎo)磁體 3.銜鐵部件 4.線圈 5.殼體 6.套筒 7.滑閥

力矩馬達(dá)由上、下導(dǎo)磁體圍繞銜鐵構(gòu)成4個(gè)工作氣隙。當(dāng)伺服閥接收到指令信號(hào)后,便在工作氣隙中產(chǎn)生控制磁通。在4個(gè)工作氣隙中,由于控制磁通與極化磁通疊加,使得一對(duì)對(duì)角氣隙的磁通量增大,另一對(duì)對(duì)角氣隙的磁通量減少,銜鐵上便產(chǎn)生力矩使其繞彈簧管轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)動(dòng),并帶動(dòng)固結(jié)在銜鐵上的擋板也隨之輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)方向的位移,這個(gè)位移使得閥芯兩端產(chǎn)生壓力差,推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng),閥芯與閥套間2個(gè)節(jié)流口被打開,伺服閥輸出與信號(hào)電流大小對(duì)應(yīng)的流量。在此過程中,彈簧管起到支撐銜鐵和擋板旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的作用,直接決定了伺服閥是否具有正常的控制功能,是伺服閥的關(guān)鍵零件[17-18]。

力矩馬達(dá)的銜鐵部件結(jié)構(gòu)如圖2所示,銜鐵部件主要由反饋彈簧、銜鐵、彈簧管、擋板組成,組成銜鐵部件的各零件之間通過過盈配合壓裝在一起。

1.反饋彈簧 2.銜鐵 3.彈簧管 4.擋板

2 電液伺服閥在振動(dòng)環(huán)境下彈簧管開裂試驗(yàn)分析

2.1 電液伺服閥彈簧管在振動(dòng)環(huán)境下開裂原因分析

某型號(hào)伺服機(jī)構(gòu)在進(jìn)行Y向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)A通道閥電流曲線異常,檢查發(fā)現(xiàn)A通道活塞桿完全縮回。對(duì)故障伺服閥閥電流曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):整機(jī)施加零信號(hào),5 s電機(jī)啟動(dòng)后,閥電流波動(dòng)在-0.4～0.4 mA之間保持穩(wěn)定;10 s施加測(cè)試信號(hào)后,閥電流波動(dòng)在-0.9～0.9 mA之間保持穩(wěn)定;13 s隨機(jī)振動(dòng)開始后,閥電流波動(dòng)范圍在-1～1 mA之間,隨著振動(dòng)量級(jí)逐漸放大,閥電流波動(dòng)隨之放大,到52 s后閥電流保持在-4～4 mA左右穩(wěn)定。在116.8 s后伺服閥電流突變至20 mA,伺服閥出現(xiàn)故障,如圖3所示。

圖3 故障伺服閥采集的曲線

將伺服機(jī)構(gòu)拆解后,分解伺服閥,發(fā)現(xiàn)伺服閥內(nèi)彈簧管管壁出現(xiàn)開裂,如圖4所示。

圖4 伺服閥彈簧管開裂圖

復(fù)查全程閥電流曲線,13 s起振前振動(dòng)信號(hào)閥電流波動(dòng)范圍在±0.9 mA左右。13 s起振后量級(jí)逐漸放大,閥電流波動(dòng)隨之放大,此現(xiàn)象與正常試驗(yàn)環(huán)節(jié)閥電流曲線波動(dòng)一致,可判斷測(cè)試系統(tǒng)施加到伺服閥的電流信號(hào)正常。

伺服閥出現(xiàn)嘯叫現(xiàn)象時(shí),力矩馬達(dá)處于高頻自激振蕩狀態(tài),諧振頻率高達(dá)數(shù)千赫茲,并伴隨尖銳的叫聲,同時(shí)可能造成彈簧管疲勞開裂。經(jīng)復(fù)查,在測(cè)試過程中伺服閥閥電流曲線正常,未發(fā)生嘯叫。伺服閥嘯叫時(shí)的閥電流曲線和故障件隨機(jī)振動(dòng)時(shí)閥電流曲線如圖5和圖6所示,經(jīng)對(duì)比故障件在振動(dòng)過程中閥電流曲線毛刺大,而嘯叫時(shí)閥電流曲線規(guī)整,不存在閥電流毛刺,與嘯叫時(shí)閥電流曲線存在明顯差異,且振動(dòng)過程中測(cè)試人員未聽到嘯叫聲,因此該故障可以排除。

圖5 嘯叫閥電流曲線

圖6 故障件隨機(jī)振動(dòng)時(shí)閥電流曲線

圖7 Y向隨機(jī)振動(dòng)曲線

若振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)量級(jí)異常,彈簧管處承受的應(yīng)力過大,超過零件疲勞強(qiáng)度極限,會(huì)導(dǎo)致彈簧管疲勞開裂。復(fù)查振動(dòng)時(shí)控制點(diǎn)布置情況,采用夾具及臺(tái)面兩點(diǎn)控制方式,與正常批次隨機(jī)振動(dòng)時(shí)控制點(diǎn)布置一致,復(fù)查振動(dòng)過程中控制點(diǎn)振動(dòng)譜型,加速度功率密集譜符合GJB 150.16A要求,振動(dòng)譜形滿足要求。

在產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)時(shí),整機(jī)結(jié)構(gòu)、安裝固定方式或振動(dòng)臺(tái)與夾具傳遞等因素會(huì)造成伺服閥處動(dòng)力學(xué)響應(yīng)存在一定的振動(dòng)量級(jí)的放大,如果量級(jí)放大的頻率點(diǎn)與伺服閥彈簧管的固有頻率接近且能量較高的情況下就會(huì)引起伺服閥彈簧管受迫振動(dòng),可能會(huì)引起彈簧管疲勞斷裂。

將故障彈簧管送至專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行失效分析,可見彈簧管開裂源區(qū)位于底部圓角與直線段交界處,源區(qū)特征顯示為疲勞開裂,如圖8、圖9所示,開裂方向?yàn)樽詢?nèi)壁向外壁方向。源區(qū)處內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)外部損傷缺陷,斷口源區(qū)未觀察到沿晶特征,未觀察到材料本身缺陷。裂紋自源區(qū)向兩側(cè)沿周向擴(kuò)展,擴(kuò)展斷口較為平整,兩端斷口相互摩擦,導(dǎo)致斷口磨損較多,無明顯塑形變形,說明在隨機(jī)振動(dòng)過程中,彈簧管受到了超出材料疲勞極限的高頻交變應(yīng)力,從而導(dǎo)致彈簧管疲勞開裂。

圖8 故障伺服閥彈簧管開裂位置

圖9 伺服閥彈簧管開裂源區(qū)形貌

為確定此次故障發(fā)生時(shí)所使用的振動(dòng)夾具傳遞至伺服閥處的振動(dòng)量級(jí),對(duì)隨機(jī)振動(dòng)時(shí)伺服閥處的振動(dòng)進(jìn)行采集。采集結(jié)果如圖10所示,伺服閥響應(yīng)在671～750 Hz范圍內(nèi)存在峰值,該范圍覆蓋伺服閥銜鐵部件一階固有頻率740 Hz,如圖11所示。在整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)過程中,750 Hz處對(duì)應(yīng)的功率譜密度值為3.63g2/Hz,振動(dòng)量級(jí)達(dá)到46.55g,存在明顯放大。

圖10 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)伺服閥響應(yīng)

圖11 伺服閥銜鐵部件固有頻率特性曲線

因此,伺服閥在隨整機(jī)振動(dòng)時(shí)彈簧管開裂原因是振動(dòng)臺(tái)和振動(dòng)夾具的組合固有頻率在伺服閥銜鐵部件一階固有頻率附近存在耦合,造成伺服閥彈簧管諧振,引起振動(dòng)量級(jí)放大,使其受到了超出材料疲勞極限的高頻交變應(yīng)力,造成彈簧管疲勞開裂所致。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)使用不同振動(dòng)夾具的對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證不同振動(dòng)夾具對(duì)伺服閥處振動(dòng)頻譜是否存在差異,選取工藝整機(jī)使用不同的裝穩(wěn)振動(dòng)夾具在相同振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行Y向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn),如圖12、圖13所示。

圖12 裝穩(wěn)振動(dòng)夾具

圖13 隨機(jī)振動(dòng)夾具

將使用裝穩(wěn)振動(dòng)夾具的頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果與使用隨機(jī)振動(dòng)夾具的頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖14所示。從圖14中可見,使用裝穩(wěn)振動(dòng)夾具時(shí)的功率譜密度遠(yuǎn)小于使用隨機(jī)振動(dòng)夾具時(shí)的功率譜密度。在伺服閥銜鐵組件一階固有頻率740 Hz附近,使用裝穩(wěn)振動(dòng)夾具的功率譜密度值為0.03g2/Hz,而使用隨機(jī)振動(dòng)夾具的功率譜密度值為3.63g2/Hz。使用裝穩(wěn)振動(dòng)夾具時(shí)A側(cè)閥座處的振動(dòng)量級(jí)為15.68g,而使用隨機(jī)振動(dòng)夾具時(shí)的振動(dòng)量級(jí)為46.55g,為裝穩(wěn)振動(dòng)夾具振動(dòng)量級(jí)的3倍。

圖14 裝穩(wěn)振動(dòng)夾具與隨機(jī)振動(dòng)夾具的振動(dòng)頻譜對(duì)比

試驗(yàn)表明,不同振動(dòng)夾具對(duì)產(chǎn)品的振動(dòng)量級(jí)影響很大,不合適的振動(dòng)夾具將急劇地增加產(chǎn)品的振動(dòng)量級(jí),使產(chǎn)品在振動(dòng)過程中實(shí)際承受的量級(jí)超過指標(biāo)要求的量級(jí),使產(chǎn)品過考核。

2.3 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)使用不同振動(dòng)臺(tái)的對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證不同振動(dòng)臺(tái)對(duì)伺服閥處振動(dòng)頻譜是否存在影響差異,選取工藝整機(jī)使用隨機(jī)振動(dòng)夾具在10 t臺(tái)和16 t臺(tái)進(jìn)行Y向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

將使用10 t臺(tái)的伺服閥處頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果與使用16 t臺(tái)的頻譜監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖15所示。同一工藝整機(jī)使用同一隨機(jī)振動(dòng)夾具情況下,在兩個(gè)振動(dòng)臺(tái)上的頻譜有明顯差異。在伺服閥銜鐵組件一階固有頻率740 Hz附近,在10 t臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度值為1.08g2/Hz,而在16 t臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度值為3.63g2/Hz。計(jì)算不同狀態(tài)下的伺服閥處激勵(lì)頻譜在(740±100) Hz頻率區(qū)間的振動(dòng)均方根數(shù)值,10 t臺(tái)的監(jiān)測(cè)頻譜量級(jí)為9.41g,16 t臺(tái)的監(jiān)測(cè)頻譜量級(jí)為23.70g(約為10 t臺(tái)的2.5倍)。數(shù)據(jù)結(jié)果表明16 t臺(tái)在伺服閥一階敏感頻點(diǎn)附近量級(jí)有明顯放大。

圖15 使用10 t臺(tái)和16 t臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)頻譜對(duì)比

試驗(yàn)表明,在相同的整機(jī)、相同的振動(dòng)夾具,輸入相同的振動(dòng)譜型,在不同噸位的振動(dòng)臺(tái)上,結(jié)果在被測(cè)產(chǎn)品上采集到的振動(dòng)量級(jí)有明顯不同,因此振動(dòng)臺(tái)也會(huì)對(duì)產(chǎn)品的振動(dòng)量級(jí)產(chǎn)生影響。

2.4 隨機(jī)振動(dòng)時(shí)使用同一整機(jī)不同通道的對(duì)比試驗(yàn)

某型號(hào)伺服機(jī)構(gòu)一次可裝2套伺服閥,分別裝在A通道和B通道上。在進(jìn)行Y向隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),安裝在A通道的伺服閥發(fā)生故障時(shí),B通道的伺服閥無異常。為查找A通道與B通道在Y向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)的差異,某伺服機(jī)構(gòu)振動(dòng)方向及A,B通道銜鐵組件狀態(tài)如圖16所示。兩通道伺服閥銜鐵組件在振動(dòng)時(shí),安裝方向不同,存在差異。

圖16 Y向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)A,B通道銜鐵部件狀態(tài)

通過對(duì)Y向振動(dòng)過程中A通道與B通道伺服閥振動(dòng)頻譜進(jìn)行分析,兩通道伺服閥振動(dòng)頻譜如圖17所示。

圖17 Y向隨機(jī)振動(dòng)A,B通道伺服閥頻譜

從圖中可以看出A,B通道在670～750 Hz范圍內(nèi)均存在明顯峰值,但A通道伺服閥功率譜密度值較B通道大。在670 Hz處,A通道伺服閥功率譜密度值為B通道伺服閥的24.74倍;在750 Hz處,A通道伺服閥功率譜密度值為B通道伺服閥的1.84倍。兩通道伺服閥峰值頻譜均含740 Hz,但兩通道伺服閥振動(dòng)峰值存在顯著差異,即B通道峰值較低,引起共振的能量小。

試驗(yàn)表明,相同的產(chǎn)品,不同的安裝位置,在振動(dòng)中所采集到的振動(dòng)量級(jí)也有所不同,從而會(huì)導(dǎo)致不同的振動(dòng)結(jié)果。

4 結(jié)論

本研究通過對(duì)某型號(hào)伺服機(jī)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)過程中伺服閥彈簧管開裂現(xiàn)象的分析研究,以及對(duì)應(yīng)的不同振動(dòng)條件進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn),得出了以下結(jié)論:

(1) 伺服機(jī)構(gòu)整機(jī)在隨機(jī)振動(dòng)過程中,振動(dòng)臺(tái)及夾具固有頻率與伺服閥銜鐵部件一階固有頻率存在耦合,會(huì)造成伺服閥彈簧管諧振;

(2) 不同振動(dòng)夾具對(duì)在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)伺服閥彈簧管處的振動(dòng)量級(jí)有不同影響,使用隨機(jī)振動(dòng)夾具時(shí)傳遞到彈簧管處的振動(dòng)量級(jí)是使用裝穩(wěn)振動(dòng)夾具振動(dòng)量級(jí)的3倍;

(3) 不同振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)伺服閥彈簧管處的振動(dòng)量級(jí)也有不同影響,10 t臺(tái)相比于16 t臺(tái)在伺服閥一階敏感頻點(diǎn)附近量級(jí)有一定的放大,但放大量級(jí)明顯減小;

(4) 伺服機(jī)構(gòu)整機(jī)不同通道的伺服閥在隨機(jī)振動(dòng)時(shí),彈簧管所受的振動(dòng)量級(jí)也不相同,兩通道伺服閥振動(dòng)峰值存在顯著差異,B通道峰值較低,引起共振的能量小,不易時(shí)彈簧管產(chǎn)生疲勞損傷。

因此在產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),不僅需要考慮產(chǎn)品自身的振動(dòng)特性和滿足性,還需要考慮外部因素的影響,包括了不同振動(dòng)夾具、不同振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)以及產(chǎn)品的不同安裝位置等因素的影響,避免振動(dòng)量級(jí)在傳遞過程中被外部因素放大,從而造成產(chǎn)品的過考核,使試驗(yàn)失敗。