伺服系统故障与伺服阀的性能相关性及故障处理

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(中国运载火箭技术研究院 第十八研究所, 北京　10076)

引言

伺服阀是伺服控制系统中的核心元件，它将毫瓦级的输入电信号转换并放大为具有相应极性、成比例关系的能够实时控制的大功率液压输出信号，用以驱动执行机构。伺服阀的功率放大倍数达到百万量级，其性能品质在很大程度上决定了伺服系统的性能品质，同时也是伺服系统中最精密的控制元件，其关键零组件的加工及装调精度要求高达亚微米级，制造难度较大，伺服系统的常见故障往往与伺服阀存在紧密关系，本研究将针对伺服阀与伺服系统的性能相关性及故障处理进行简要分析。

1　伺服系统及伺服阀的组成及工作原理

1.1　伺服系统的组成和工作原理

按照被控物理量的不同伺服系统包含了位置控制系统、速度控制系统及压力控制系统。本研究以应用最为广泛的位置控制系统为例进行简述。位置伺服控制系统的组成如图1所示。

图1　典型电液伺服机构系统的组成原理图

主要包括能源、伺服作动器、伺服控制器以及测量装置。其中伺服作动器主要由伺服阀、液压作动器及位移传感器组成。位置伺服控制系统的工作原理为：能源(如电机、油泵)为伺服作动器提供液压能源，伺服控制器接收指令信号和当前伺服作动器所处的位置信号，将二者的差值经过转换并放大后输出给伺服阀，伺服阀把电信号转换并放大为极性和大小受控的负载流量去驱动液压作动器运动，作动器的位移通过位移传感器反馈给伺服控制器，当伺服控制器接收到的指令信号和反馈信号相等时伺服阀回复零位，作动器保持在当前的指令位置。

1.2　伺服阀的组成和工作原理

下面以喷嘴挡板型电液伺服阀为例对伺服阀组成及工作原理进行介绍。

喷嘴挡板型电液伺服阀主要由两大部分组成：前置级和功率级，如图2所示。其中前置级由衔铁组件、控制线圈、前置级液压放大器等组成；功率级由壳体、阀芯、阀套等组成。

图2　喷嘴挡板型伺服阀结构示意图

伺服阀得工作原理是：当给力矩马达的控制线圈输入一个控制电流时，力矩马达产生电磁力矩使衔铁组件以弹簧管为弹性支撑发生偏转，挡板偏离中位。这时，两个喷嘴腔之间产生压力差，阀芯在此压力差作用下产生移动，反馈杆端点随着一起移动，产生反馈力矩，当反馈杆和弹簧管变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡时，衔铁组件停留在某个控制电流相对应的偏转角上。反馈杆的进一步变形使挡板被部分地拉回中位，阀芯两端作用的压力差产生的力与反馈杆端点对阀芯的反作用力和滑阀的液动力相平衡，使阀芯停留在与控制电流相对应的位移，伺服阀就输出一个对应的流量，达到了用电流控制流量的目的。

2　性能相关性分析及故障处理

2.1　伺服系统的测试项目

位置伺服系统的主要测试项目包括零位特性、位置特性、速度特性和频率特性的测试。零位特性包括了零位位置偏差、零位补偿电流、温度压力变化引起的零位漂移等，位置特性包括了全行程位置回环、低速小信号跟随性以及定点位置精度等，速度特性包括了伸出缩回双向的多点速度测试，频率特性包括了不同幅值指令信号下的幅频和相频特性测试。本研究只针对伺服阀引起的伺服系统故障进行性能相关性分析和故障处理方法的简述。

2.2　故障分析及处理

1) 零位特性

伺服系统零位特性故障主要由伺服作动器零位偏差大及零位压力漂移和温度漂移超差造成。故障模式分析见图3所示，下面分别对故障模式进行逐一分析。

图3　伺服系统零位特性故障模式分析

(1) 伺服作动器零位偏差大伺服作动器零位偏差大主要存在两种情况，一种是虽然作动器零位发生偏差但输入到伺服阀上的零位补偿电流在合格范围内，这种情况应重点怀疑是位移传感器的零位存在问题；另一种情况是输入到伺服阀上的零位补偿电流也超差，这时在排除伺服控制器故障的情况下基本可确定是伺服阀出现了零偏故障。造成伺服阀零偏故障的原因和相应的解决措施可分为以下几种情况：

① 工作气隙、节流孔或喷嘴被多余物堵塞。多余物是指伺服阀在清洗、周转、装配、调试过程中，清洗用的残留脱脂棉、装配时切损的密封圈残渣、调试中油液中的污染物等等一切外部进入或内部产生的与产品规定状态无关的物质。调试过程中如果伺服阀的零偏很大，达到了额定电流的30%以上，往往提示伺服阀被多余物污染。发生的部位可能是工作气隙、节流孔或喷嘴，而喷嘴发生堵塞的可能性更大。工作气隙、喷嘴、节流孔位置示意图见图4所示。工作气隙的多余物可以通过打开伺服阀阀罩进行肉眼观察，清除多余物后进行零位测试；节流孔和喷嘴多余物的判断方法是将伺服阀的力矩马达做退磁处理，检查两个喷嘴腔的中位压力，如果喷嘴腔的压力差值较大则基本可以断定发生堵塞，维修时需要对伺服阀进行彻底分解清洗后再进行重新装配调试。采取的主动性措施主要有：控制装调现场环境条件，识别一切有害多余物，防止进入伺服阀内部；油滤组件在焊接、转运存放等环节进行防护处理；油滤组件在设计中设计为两体式结构，使油滤节流孔便于清洗等。

图4　工作气隙、喷嘴、节流孔位置示意图

② 喷嘴挡板间隙或工作气隙的对称性发生变化。伺服阀的零偏超差但超差幅度不大则很可能是力矩马达和衔铁组件的安装螺钉以及喷嘴由于振动或应力释放不均匀等因素造成喷嘴挡板间隙或力矩马达工作气隙的对称性发生了变化，导致力矩马达的电磁零位和前置级的液压零位发生偏移，维修手段是重新调试。采取的主动性措施主要有：使安装螺钉的拧紧力矩一致；充分进行时效处理，释放应力等。

③ 高频过载信号导致喷嘴挡板发生猛烈撞击。引起伺服阀零偏另一种比较少见的原因则是伺服阀承受了频繁的过载信号如伺服阀发生高频的自激振荡，使得挡板与喷嘴发生相互高频撞击而造成挡板平面和喷嘴孔的损伤，致使左右喷嘴腔中位压力的平衡状态遭到破坏，前置级的液压零位发生偏移。处理的方法是检查挡板平面，如发现挡板平面出现凹坑则更换零件后重新调试。采取的主动性措施主要有：衔铁两端增加限位销钉限制衔铁的转动角度；设计中各参数匹配合理，以提高稳定裕量等。

(2) 伺服作动器零位压力漂移和温度漂移超差伺服作动器零位的压力漂移和温度漂移往往与伺服阀的压漂和温漂特性相关，具体原因可从伺服阀前置级的电磁零位和液压零位两个方面进行分析：

① 前置级电磁零位漂移。就伺服阀电磁零位而言其主要受温度变化的影响，电磁零位的理想状态是四个工作气隙的高度及四个力矩马达安装螺钉所承受的应力在温度变化的范围内完全一致，保证衔铁组件在零信号输入时所受的电磁力矩为零。但实际的加工和调试过程则不可能完全达到这一绝对的理想状态，伺服阀调试时获得的电磁零位实际是包含了多个不平衡因素的综合平衡状态，是在某个温度工作点附近的零位，当温度变化时，受零件热变形及螺钉应力释放的影响，内部的不平衡因素产生变化(如螺钉应力水平不一致)就使得综合平衡状态遭到破坏，导致电磁零位产生温度漂移。处理的方法和预防措施是在力矩马达零组件加工、装配及调试时尽可能的提高结构的对称性、安装面的平面度以及安装螺钉拧紧力矩的一致性，并进行严格充分的温度时效检查，以尽量减小温度变化对电磁零位的影响。采取的主动性措施主要有：安装螺钉施加一致的拧紧力矩；使伺服阀气隙调整垫片高度保持一致；力矩马达相关尺寸精度保证气隙一致；进行温度时效和稳定性振动试验等。

② 前置级液压零位漂移。前置级的液压零位是指通过调整挡板与左右喷嘴之间形成的喷挡间隙来保证左右喷嘴的中位压力达到平衡状态。理想状态是左右喷挡间隙完全一致以及左右喷嘴中的液流在挡板处产生的压力恢复系数相同。挡板作为衔铁组件的一部分是通过螺钉安装于伺服阀的底座上，受安装面平面度及安装螺钉受力状态的影响，当温度变化时，零件的热变形及螺钉应力释放的不均匀性则可能导致喷挡间隙的改变。虽然伺服阀的左右喷嘴在加工时进行了流量配对，但受小孔加工精度的影响，喷嘴在不同压力和温度情况下的射流形态难以得到量化控制，不同的压力温度点上，喷嘴射流出现散射、螺旋、分叉、偏斜等情况，使得虽然流量数值一样但喷嘴液流到挡板处获得的压力恢复系数实际上是不同的。处理的方法和预防措施是提高喷嘴孔的加工质量， 在保证流量数值一致的基础上提高喷嘴在不同压力和温度条件下的射流线性稳定性，在相关零组件加工、装配及调试时尽可能的提高结构的对称性、安装面的平面度以及安装螺钉拧紧力矩的一致性，并进行严格充分的温度时效检查，通过上述措施尽可能的减小压力温度变化对伺服阀前置级液压零位的影响。

图5　伺服系统位置特性故障模式分析

2) 位置特性

伺服系统零位特性故障主要由伺服作动器定点静态位置偏差大伺服作动器低速运动中产生爬行伺服作动器低速运动中产生爬行造成。故障模式分析见图5所示，下面分别对故障模式进行逐一分析。

(1) 伺服作动器定点静态位置偏差大伺服阀的零偏、零位重叠量、滞环等数据偏大可能导致伺服作动器的静态位置精度降低，尤其是在当伺服控制器中不包含积分环节时。作动器停留在某个位置时伺服阀的输出流量为零，因此如果伺服阀的零位偏差较大或是零位重叠量或滞环造成零位附近的死区偏大，均会影响到伺服作动器的定点静态位置精度。解决的措施是检查调整伺服阀零位、通过配磨减小重叠量以及通过研磨去毛刺等方法来减小阀芯运动摩擦改善滞环特性。采取的主动性措施主要有：改进去毛刺工艺方法和检测方法，引进在线去毛刺设备，使阀芯在加工过程中去除工作边毛刺等；

(2) 伺服作动器低速运动中产生爬行伺服作动器在发生定点静态位置偏差大的同时往往伴随着低速运动的爬行现象，运动不连续，正弦运动指令信号下位移曲线呈阶梯状。作动器低速运动时伺服阀工作在零位附近，此时对应的伺服阀故障应重点考虑零位附近的分辨率是否过大，使得只有在误差信号累积大于伺服阀分辨率之后，作动器才产生动作。解决措施应围绕如何减小阀芯运动摩擦力展开。采取的主动措施主要有：提高阀芯外圆及阀套内孔加工的粗糙度、圆柱度等；改进去毛刺工艺方法和检测方法等；

(3) 伺服作动器定点位置不稳定出现低频窜动现象作动器在零位或任意指令位置出现低频往复窜动对应的伺服阀故障模式可包含以下几种情况：

① 衔铁组件中各零件发生松动。衔铁组件中的衔铁、弹簧管、挡板和反馈杆通常采用压装或焊接的方式连接成一体，当各零件的连接发生松动时会造成伺服阀的零位不稳定，从而造成伺服作动器在定点指令位置附近出现往复窜动的不稳定现象。采取的主动措施主要有：衔铁组件在压装时，优化压装工装，使其能够精确定位，有条件时可全程监测位移与压装力曲线，精确控制过盈量及压装力；压装后抽样进行拉脱试验，验证压装效果。

② 反馈杆小球磨损。反馈杆端部的小球与伺服阀阀芯中部的环槽采用精密的微小间隙配合使得阀芯运动的同时带动反馈杆产生变形，从而实现力反馈回路。当反馈杆小球出现明显磨损后，即小球与阀芯环槽的间隙变大会使得力反馈回路在零位附近处于开环状态，导致伺服阀的零位出现波动，反映到作动器上则会出现往复窜动现象。采取的主动措施主要有：加工时提高小球圆度、光洁度；对小球表面进行硬度处理，提高小球耐磨性；提高与小球配合的阀芯槽的光洁度、硬度等。

③ 伺服阀零位附近分辨率较大。分辨率反映了伺服阀能够响应的最小信号。分辨率过大时，作动器的误差得不到及时纠正，误差积累超过伺服阀分辨率时，伺服阀向作动器输出反向流量来纠正误差。然而，由于伺服阀的分辨率过大使得作动器误差逐渐减小至零的同时伺服阀阀芯并未回复零位，使得作动器继续运动产生反向误差，误差信号超过分辨率后伺服阀再次进行纠正。上述过程造成了作动器在定点指令位置附近来回窜动，减小伺服阀分辨率是解决问题的根本办法，此外，通过提高伺服系统的回路增益也能够提高作动器静态稳定性。

3) 速度特性

作动器的速度特性与伺服阀的输出负载流量密切相关，伸出缩回双向速度低需要检查伺服阀的流量增益是否过低，此种故障的实际发生机率不高。较常出现的速度特性故障是伸出缩回的速度对称性差，此时对应的伺服阀故障可包含几种情况，见图6所示。

图6　伺服系统速度特性故障模式分析

(1) 伺服阀零位偏差大此种情况的可能性最大也容易排查；

(2) 伺服阀阀芯卡滞阀芯卡滞可能导致伺服阀单向的输出流量达不到指令要求，从而造成单向速度偏低；

(3)工作气隙中存在未完全卡死的多余物由于多余物(磁钢掉渣或外来污染物)未完全将工作气隙卡死，因此对伺服阀的零位影响不大，但多余物限制了衔铁组件的运动，导致伺服阀的正向或负向输出流量降低。

4) 频率特性

影响伺服系统频率特性的因素很多，系统的组成原理、控制算法和元器件的选用都可能影响到伺服系统的动态品质。一般情况下，系统都希望伺服阀具有足够高的响应频宽，对于伺服阀的选用，在系统设计计算时应进行充分的仿真计算，本文不再进行赘述，在此重点针对一些对系统频率特性有特殊要求的应用场合进行分析。以航天型号伺服系统为例，其被控对象为火箭发动机，具有大惯量低刚度的特点容易出现高频谐振现象，为此要求伺服系统在高频段将幅值压低但相位滞后不能过大。应对措施是采用陷波、微分等控制算法以及采用动压反馈伺服阀，早期的航天型号以采用动压反馈伺服阀的解决方式居多。动压反馈的作用是通过一个微分网络将作动器的负载压差经过滤波后反馈至伺服阀的前置级，使得伺服阀的输出流量减小达到压低作动器运动幅值的目的，负载压差的变化频率越高动压反馈的作用就越强，反之低频时动压反馈的作用很弱，这就实现了压制高频幅值的同时有不会影响到系统的静态刚度。由于航天型号的应用需求，很多情况下将伺服系统的频率特性限制在一个很窄的适用范围内，即使采用了动压反馈伺服阀也经常需要针对具体产品的个体差异对伺服阀的相关性能参数进行调整，主要问题可分为以下几种情况，见图7所示。

图7　伺服系统频率特性故障模式分析

(1) 系统相位超差但幅值具有较大裕量此种情况大多可通过适当提高伺服阀的流量增益予以解决；

(2) 系统幅值超差但相位具有较大裕量此种情况大多可通过适当降低伺服阀的流量增益予以解决；

(3) 幅值和相位均超差当出现系统幅值和相位均超差的情况时，解决的方法相对复杂。需要对各个频率点上系统的幅值和相位进行仔细分析，根据幅值超差的程度和所在的频率点，适当的加强动压反馈的强度和改变动压反馈的时间常数，将系统幅值压低的同时在一定程度上可能会造成相位滞后的进一步加剧，需要根据系统再次测试频率特性的结果来适当的提高伺服阀的流量增益，如果相位滞后超差发生在低频段，也可以通过适当的减小伺服阀功率级重叠量来提高零位附近的局部流量增益来加以改善。总之动压反馈强度和流量增益大小的调整对于系统的幅频和相频特性而言是一把双刃剑，动压反馈作用强度提升对压低幅值有利但会在一定程度上加剧相位滞后，流量增益提高对改善相位滞后有利但会加剧幅值超差，相反降低流量增益压低幅值又对相位滞后不利，因此处理航天伺服系统频率特性幅值和相位均超差的问题时往往需要认真的分析数据采用组合化的解决方案。

5) 稳定性故障

稳定性故障模式见图8所示。

图8　伺服系统稳定性故障模式分析

(1) 作动器两腔出现压差振荡由伺服阀引起的作动器压差振荡是由于伺服阀的阀芯出现了自激振荡，频率一般在数百赫兹，这一现象可以解释为阀芯与阀芯两侧的控制腔油液发生了流固耦合，如何在结构设计和流场原理上彻底避免这一现象目前还没有形成系统有效的完整方案，工程解决措施可以通过改变控制腔容积、设置平衡阻尼器等方法来增强流场稳定性和改变流场的固有频率达到抑制阀芯振荡的目的；

(2) 伺服阀高频啸叫伺服阀出现高频啸叫时，衔铁组件处于高频振荡状态，频率可达上千赫兹，衔铁组件中的弹簧管很容易发生疲劳断裂， 导致伺服系统功能丧失。这一现象可以解释为伺服阀的前置级发生了磁流固三相耦合。由于伺服阀的内部流场十分复杂，全面的理论分析和实现系统性的解决方案存在很大的难度，目前常用的工程解决措施是通过提高喷嘴射流质量、调整阻尼系数、改变力矩马达及流场的固有频率等手段来达到增强流量稳定性避开耦合共振频率点的目的。

3　结论

作为伺服系统的核心控制元件，伺服阀的性能与伺服系统的性能具有紧密的相关性，伺服阀往往是伺服系统故障排查时的首要对象。深入透彻的了解伺服阀的结构原理和加工装调的工艺流程能够帮助技术人员快速准确的进行故障定位和维修改进。

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