伺服机构恒压变量泵压力脉动分析

任丹萍，张鑫彬，王 斌

（上海航天控制技术研究所，上海 200233）

0 引言

某型火箭在整箭测试过程中，一级伺服机构出现幅值0.3MPa、频率1Hz的压力脉动。因伺服机构液压能源来自恒压变量泵，变量泵自带的压力调节阀决定液压泵输出压力的大小，故初步判断一级伺服机构压力脉动由变量泵压力调节机构引起的可能性较大。在更换变量泵试验后，压力脉动消失。由此可确定伺服机构压力脉动是由变量泵调节机构引起的。

为确保火箭飞行可靠性，本文对该压力脉动产生的原因及对整机性能的影响进行了分析。

1 变量泵

1.1 工作原理

恒压变量柱塞泵是在泵的本体上增加调压阀，将泵出口压力反馈至泵体的变量机构，在保持输出压力不变的条件下，使泵的输出流量随负载需要而变。泵出口油压作用于调压阀右侧控制活门阀芯的右端，阀芯左端的弹簧预紧力由调压螺钉设定。当泵的出口油压升高时，液压力大于弹簧力，活门阀芯向左移动，使控制油与压力油相通，控制油压升高；当泵出口压力降低时，弹簧力大于液压力，活门阀芯向右移动，使控制油与回油相通，控制油压降低。该控制油压作用于泵体内部的随动活塞，随动活塞与泵体内的回位弹簧共同决定斜盘的角度。当控制油压升高时，随动活塞上的液压力大于弹簧力，斜盘倾角变小，泵的输出流量减少；当控制油压降低时，弹簧力大于液压力，斜盘倾角变大，泵的输出流量增加。

由变量柱塞泵的工作原理可知：泵依靠输出口压力反馈实现恒定压力控制，压力稳定和响应特性主要由控制活门和随动活塞两部分决定。

对变量柱塞泵输出压力控制系统来说，控制活门为压力敏感元件，其阀芯的灵敏度决定了泵输出压力的平稳性。考虑控制活门阀芯工作中所受的摩擦力影响，其力平衡方程为

式中：p为泵的出口压力；A为活门阀芯的面积；k为弹簧刚度；x为弹簧预压缩量；f为摩擦阻力。

当泵的出口压力变化时，变化量Δp＞f／A后阀芯才能移动。但由于零件加工时的个体差异，以及装配过程中的配合间隙等影响因素，每台泵的控制活门的灵敏度并不相同，且f亦不是常量，即压力反馈回路响应特性存在差异，因此可能导致泵的输出压力小幅波动。

另外，从泵的调压系统来说，泵本体内的随动活塞是执行元件，其不灵敏同样会引起系统输出压力的波动。柱塞泵中的随动活塞相当于一柱塞缸，若随动活塞与和套筒间有机械摩擦，将导致随动活塞的不灵敏，进而也可表现为系统压力调节过程中的小幅波动。

由上面分析可知：柱塞泵在建压过程中处于一个压力反馈的动态平衡过程，若压力调节部分响应时间较长，则压力易出现不稳定波动。变量调节机构的响应特性是变量泵压力输出稳定性的关键。

1.2 仿真分析

为进一步分析变量调节机构的不灵敏对变量柱塞泵输出压力脉动的影响，对变量柱塞泵进行数学建模，并仿真其工作状况。将变量调节机构的不灵敏简化为控制活门阀芯与阀套间以及随动活塞与套筒间存在一摩擦力，分析不同的摩擦力对压力脉动的影响。

1.2.1 控制活门灵敏度影响

用Matlab／Simscape软件对恒压变量泵系统进行物理建模［1］。由式（1），当一级伺服机构辅助泵的高压活门阀芯直径为6.27mm，在额定压力22.35MPa下，推动活门的力约6.2N，油箱蓄压器部分省略。

当伺服机构不动作（即泵输出流量很小）时，假设控制活门阀芯阀套摩擦力很小（小于0.1N），在液压泵全流量5.6L／min，控制活门阀芯直径1mm，控制活门弹簧刚度38.8N／mm，配油盘等效最大倾斜长度3mm，随动活塞面积30.778mm2，随动活塞弹簧刚度16.48N／mm条件下仿真，所得系统压力如图1所示。由图可知：电机泵启动后，压力从0MPa开始快速上升至蓄压器充气压力约12.6MPa，后缓慢上升至伺服机构工作压力22.35MPa，至此伺服机构建压完成。建压完成后系统压力脉动很小，基本无法检测，可忽略不计。

图1 控制活门摩擦力0.1N时系统压力Fig.1 Servo mechanism pressure with grating 0.1N

考虑控制活门阀芯阀套配合，在相对较大的摩擦力（0.6N）下仿真，所得系统压力如图2所示。由图可知：摩擦力约占活门推动力6.2N的10%，仿真中出现了较明显的压力波动。图2中系统压力波动幅值为0.32MPa，频率约1.4Hz，与现有的压力脉动类似。

图2 控制活门摩擦力0.6N时系统压力Fig.2 Servo mechanism pressure with grating 0.6N

由仿真结果可知：随着控制活门阀芯与阀套间摩擦力的增大，系统压力脉动变得越来越明显，脉动幅值相应增大。

1.2.2 随动活塞灵敏性影响

同样仿真可得随动活塞摩擦力较大（10N）时的伺服机构入口压力如图3所示。由图3可知：随动活塞摩擦力较大时，伺服机构入口压力曲线脉动不明显。

图3 随动活塞加摩擦力0.6N时的系统压力Fig.3 Servo mechanism pressure with grating 10N

以上仿真表明：压力脉动主要由控制活塞的阀芯阀套处的配合特性造成，随动活塞对压力脉动的影响相对较小。仿真所得曲线与一级伺服机构出现的压力脉动一致。

2 其他因素

系统中的管路结构也可能影响压力脉动。柱塞泵流量脉动如图4所示［2］。

图4 柱塞泵流量脉动Fig.4 Flux pulsation of constant－pressure variable pump

当缸体转过－α时，柱塞从位置1转动α至位置2，并产生一轴向位移x，柱塞便向外排出一定的流量。柱塞位移和运动速度v分别为

式中：D为缸体直径；α为缸体转角；θ为斜盘倾角；ω为缸体旋转角度。有Z个柱塞的柱塞泵的瞬时流量

式中：φ为轴向投影下相邻两柱塞间的夹角。由于柱塞的正弦周期运动，使柱塞泵的Qs呈正弦周期脉动。

由于液压泵排油腔容积变化是从大到小，故其输出流量Q随转子旋转呈周期变化的脉动流量，液压泵产生的流量脉动经管路作用，形成压力脉动。

液压系统中压力波在液压管道中的传播如图5所示。图中：Pi（x，t）为入射波；Po（x，t）为反射波；L为管道长度。

图5 压力波管道传播Fig.5 Pressure diffuse in pipeline

液压波在传播过程中，当遇到弯管或节流阀等阻抗时会产生波的折射、反射和干涉等。反射程度取决于管道终端的阻抗及管道的形状，同时在反射过程中其相位也会产生一定的改变。反射波Po（x，t）与射波Pi（x，t）叠加后，Po（x，t）的频率不会改变，但由于相位的改变，可能导致两者叠加后相互的压力脉动加强。

3 对伺服机构整机影响

对21MPa液压系统，国外研究数据表明，当压力脉动幅值（峰－峰值）小于1.0MPa时是无故障长寿命系统。测试中出现的脉动峰值一般为0.1～0.65Pa，小于1MPa，故满足伺服机构使用要求，且不会对系统稳定性产生影响。

3.1 对控制元件影响

伺服阀是伺服机构的控制元件，其工作的正常与否直接影响整个系统的稳定性。本文模拟工艺试验中的波动，仿真分析不同工况下供油压力波动对伺服阀流量输出的影响。

根据伺服阀参数，用Amesim软件伺服阀的仿真模型［3］。设定伺服阀无信号输入，即阀芯无开口，供油压力波动（幅值1Pa，如图6所示，可得相应的伺服阀阀芯两端压力变化如图7所示。由图可知：当入口压力有压力波动时，阀芯左右两端压力相等。

将负载施加在作动筒的左右两端，重新分析压力波动，作动筒左右两腔的压力如图8所示。可发现作动筒左右两端压力相等，即压力波动不会对活塞杆的运动产生影响。

图6 供油压力Fig.6 Oil pressure in servo valve

图7 伺服阀阀芯压力Fig.7 Oil pressure in both chamber of the servo valve

由图7可知：当伺服阀入口压力波动时，伺服阀阀芯处于一动平衡状态，伺服阀对阀芯左右两端的液动力也同时发生变化，阀芯处于一个新的平衡，总在克服压力波动产生的影响。因此，小范围0.5MPa压力波动时，对伺服阀输出流量的影响非常小。

为进一步分析泵压力波动对伺服阀性能的影响，通过设置不同的压力波动状态，判读输出流量验证泵压力波动对伺服阀性能的影响规律。分别仿真了泵的输出压力波动在频率1～5Hz、幅值0.5～3.0MPa的伺服阀输出流量。分析仿真结果可知：当泵的油源压力发生低频率、小幅值的波动时，即当幅值小于2MPa，频率小于5Hz时，分析认为其对伺服阀输出流量的性能影响很小，可忽略不计，即对伺服系统的控制元件无影响。

图8 作动筒左右两腔的压力Fig.8 Oil pressure in both chamber of executant

3.2 对执行元件影响

伺服阀的负载腔直接与伺服机构作动筒相通，小的流量波动不会对作动活塞杆的运动产生影响。因为伺服机构做常规的动态测试时，活塞杆会经历更大的压力波动，最大压力波动幅值约5MPa、频率4.77Hz，完全能覆盖前文中出现的幅值0.3MPa、频率1Hz的压力脉动。故认为低频小幅值的脉动对活塞杆动作无影响。

另外作动筒可视作为一弹性容腔，能吸收一定频率幅值的脉动波，结合脉动时反馈曲线的变化，可进一步确定低频小幅值的脉动不会对执行元件的运动产生影响。

4 结束语

本文对伺服机构恒压变量泵压力脉动进行了分析。结果表明：一级伺服机构压力脉动由柱塞式变量泵的固有特性引起，仿真发现压力脉动主要由变量泵控制活塞阀芯阀套处的配合特性造成。泵的低频小幅值压力脉动对整个伺服系统的控制元件和执行元件均无影响。同时观察反馈曲线及油面曲线观察，均无异常，伺服机构工作稳定，性能可靠。采取严格控制阀芯阀套的配合间隙，保证泵的响应时间和从全流量到关闭的稳定时间等措施，使该问题发生概率显著下降。

［1］ 黄俊钦.静、动态数学模型的实用建模方法［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［2］ 储桂柏.宇航技术概论［M］.北京：航空工业出版社，2002.

［3］ 李冠华，许化龙.伺服机构模型参数辨识方法研究［J］.上海航天，2001，18（5）：25－28.