伺服阀滑阀副叠合量快速气动测量及数据分析方法

王 卓，王 聃，丁忠军，孟 健，张凌霄，倪 钢，刘小田

(1.华中科技大学 人工智能与自动化学院，湖北 武汉 430074；2.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076；3.上海航天控制技术研究所，上海 201109)

引言

随着我国航空航天事业的快速发展，对电液伺服阀的性能指标提出了较高的要求，对产量的需求也越来越大。目前，国内液动[1-2]和气动[3-4]叠合量的测量精度和重复性大部分都已经达到了±0.5 μm以内，也达到了配磨工序中机械加工的极限水平。如何提高滑阀副的配磨加工效率是国内目前电液伺服阀生产亟需解决的一个问题。

叠合量的液动测量系统在工作环境和测量介质等方面符合滑阀副的实际工况，且测量精度高。但是，液动设备具有结构庞杂、价格昂贵、存在污染等缺点。比较而言，气动测量系统具有结构简单、分辨率和响应速率高、测量介质易于控制和自洁性等优点，在经济性、实用性上都有很高的应用价值[5]。气动流量式综合测量方法[6]是叠合量测量中应用最早的测量形式，但由于气体黏性小、对泄漏敏感等原因，导致大流量滑阀叠合量测量结果准确性受到一定影响[7]。若将成本较低的气动测量方法应用到大流量滑阀的叠合量测量，需要解决气动测量的准确性问题。

电液伺服阀滑阀副配磨过程是一个“测量-磨削-测量”的反复加工过程[8]，减少每次配磨过程中的测量时间，可以显著提高滑阀副的加工效率。本研究设计了一套基于气动流量法的测量气路，通过采用行为预测的方法对流量最低点进行预测，省去以往叠合量测量的找中过程，只需要驱动阀芯往一个方向移动，就可以完成4个阀口的叠合量测量过程。通过压力对流量测量值进行修正，保证了测量精度，并实现了对高精度气体流量传感器的保护。电液伺服阀滑阀副配磨过程是一个对阀芯台肩进行逐步磨削的过程，本研究利用配磨过程中大叠合量的测量曲线与小叠合量曲线进行相似度分析，提高叠合量测量准确性。实现大流量滑阀副叠合量的精确气动测量，提高叠合量测量效率，减少滑阀副配磨的反复过程。

1 快速测量方法

1.1 测量气路

叠合量气动测量方法分为压力式[3-4]和流量式[9-10]2种；其中，气动压力式测量方法是在阀口的后端加一个喷嘴(节流孔)，对喷嘴前的压力进行测量，进而获得阀口开度与压力的数学关系[11]；其中，气动流量式测量方法是在测量气路中加入气体流量计，气体流量计可以放置在阀口前端[3-4]，也可以放置在阀口后端[9]。图1为本研究设计的测量气路，由气源1、过滤器2、减压阀3、精密减压阀4、电磁阀5,6、节流阀7,8、流量传感器9,10、压力传感器14,15、测量底座101、压力表11,12,13和工控机200构成。

图1 叠合量测量气路及系统图

如图2所示，测量底座101的2个进气端M和N分别与滑阀副的M和N端口连接，测量气体通过a，b，c，d 4个端口排到大气中。气体流量传感器9,10放置在测量底座101的前端，避免滑阀配磨加工过程中的油渍污染传感器。如图2中所示，对单个阀口叠合量进行测量时，会引入相邻阀口的气体泄漏(如测量时，会引入a端口的泄漏)，需要通过数据分析的方法来消除。

图2 伺服阀滑阀副气动测量气体流向图

气体流量传感器测量精度与量程和线性度相关，在线性度相同的情况下，量程越小绝对精度越高，一般选用气体流量传感器的量程尽量要小。叠合量测量过程中，测量曲线对应的阀口开度一般在±100 μm以内，在阀口开度100 μm以外的区间，流量传感器一般处于超量程区间。在测量气路中加入节流阀7,8可以限制气路中的最大流量，能防止气体流量传感器7,8长期超量程工作所导致的精度下降问题。

1.2 测量流程

叠合量测量都需要有一个手动或自动[3-4]的调零过程，然后再开始测量。图1所示的测量气路中加入了节流阀，限制了气路最大流量，可以实现叠合量快速测量，具体的测量过程如图3所示。

图3 测量过程曲线图

第一步，驱动系统控制阀芯移动到A点。用户每次放入滑阀副，阀芯对应流量最小的位置(中心点)是不确定的，中心点可能在当前位置的左侧，也可能在当前位置的右侧。为了对中心点的位置进行预测，工控机将以往测量过程中的中心点位置都记录下来。考虑用户放置滑阀副的中心点位置符合正态分布规律，从这个符合正态分布规律的样板中选取合适的单侧置信度(本研究选取为99%)，得到一个单侧置信区间边界，即A点。

第二步，驱动系统控制阀芯快速移动到B点。移动过程中，系统监测2个流量传感器的流量变化。当流量有明显下降时，驱动系统减速。

第三步，驱动系统控制阀芯慢速移动到D点。以较低的移动速度驱动阀芯，并记录阀芯移动过程中的位移、流量和压力，绘制流量压力阀口位移曲线如图4所示。驱动阀芯移动过程中，保存中心点的位置C点，用于后期的预测。根据流量采集的需要，设置需要采集的最大流量点，即D点。阀芯移动到D点停止，测量过程结束，数据传输给上位工控机进行后续的数据分析。

2 数据分析

2.1 流量转换

滑阀副叠合量测量过程中，受前端节流阀的影响，阀口流量Q0和阀口气压p0与阀口大小xv的曲线如图4所示，p0表示测量气路中气压传感器14，15的测量值，Q0表示流量传感器9，10的测量值。阀口气压p0在测量过程中不是恒定值，而且变化较大，导致阀口流量Q0的线性段不明显，影响叠合量测量。

图4 测量气压流量与阀芯位置曲线图

根据伯努利方程(能量守恒)，阀口流量计算公式为：

(1)

式中，c—— 阀口流量系数

ε—— 阀口流量系数

ω—— 阀口宽度，m

g—— 重力加速度，m/s2

rc—— 空气重度，N/m3

p—— 阀口前后压差，Pa

xv—— 阀口开度，m

如上所述，如果忽略空气的可压缩性，令:

得到测量的压力与流量关系为：

(2)

假定p′表示p0的最大值，由式(2)可以得到最大压力p′对应的流量为：

(3)

当阀口开度xv相等的情况下，由式(2)和式(3)可以得到：

(4)

由Q0和p0计算得到Q′,Q′表示最大(定值)压力下的流量值，Q′的线性段没有受到压力变化的影响，线性段明显，适合叠合量分析。

2.2 叠合量分析

滑阀副配磨过程是一个“测量-磨削-测量”的逐步迭代的过程，每一套滑阀副的阀口流量曲线要经过若干次测量，取4次阀口M(或N)的实际测量曲线如图5所示。图5中测量曲线1～4分别表示配磨过程中叠合量不断减小得到的实际测量曲线。测量过程中，相邻阀口的径向泄漏会影响叠合量的测量。如在测量阀口a的叠合量L1时，气体由M进入，流向阀口a，同时气体也通过阀口b在泄漏。随着配磨过程对阀芯台肩的磨削，叠合量逐步减少，相邻阀口泄漏量逐步增加，流量曲线的最小流量不断增加，同时也发现曲线1～4的斜率在逐步减小。

图5 配磨过程中的叠合量测量曲线图

叠合量计算是在实际流量曲线上取一段线性较好的线段，将其延长到横轴，得到截点与零点的距离为叠合量。文献[3]考虑到阀芯和阀套之间的径向间隙，对气体流量采用有限元仿真分析，将开启区的线性段直线与最小泄漏直线的交点定为滑阀副的叠合量。

在滑阀副配磨的开始阶段，测量得到曲线1。曲线1对应的叠合量一般在100～150 μm左右，底端的径向间隙泄漏流量属于同心圆环状缝隙流，随着缝隙长度的增加，径向泄漏流量与叠合量长度成反比[12]，因此曲线1两侧的线性段受相邻阀口泄漏量的影响可以忽略不计。曲线1的线性段与最低流量的交点如图5中A，B所示，得到相应的叠合量。考虑到相邻阀口的泄漏，曲线2～4不适合采用这种叠合量计算方法。

在滑阀副配磨过程中，径向间隙的变化都小于1 μm，也可以忽略不计。以曲线1的最低流量点为界，分解为左侧曲线1L和右侧曲线1R，如图6所示。随着对阀芯台肩的磨削，叠合量逐步减小，曲线1L右移，曲线1R左移。当曲线1L向右移动xL到1L-3，曲线1R向左移动xR到1R-3，将1L-3和1R-3进行叠加，可以得到拟合曲线3P。

图6 叠合量测量曲线平移叠加图

通过水平移动曲线1L和曲线1R得到的拟合曲线3P与实际测量曲线3应为相似曲线。判断2条曲线的相似性方法较多，有基于点距离的方法[13]和基于形状的Frechet方法[14]，考虑到曲线3和曲线3P在同一个坐标下且无缩放，故采用基于点距离的欧式距离判断方法。选择不同的xL和xR来计算曲线3和叠合曲线3P之间的欧氏距离Distance，得到的欧氏距离Distance和xL,xR的关系如图7所示，进而获得最小欧氏距离对应的xL0,xR0。通过xL0,xR0对应的曲线1R-3和1L-3再利用文献[3]的方法求取当前的叠合量，该方法克服了对应阀口泄漏产生的影响。

图7 欧氏距离Distance和xL0,xR0的关系图

3 结论

将智能制造[15]的数据分析方法应用到叠合量测量过程中，提出了通过曲线平移和叠加的叠合量计算方法，解决了困扰大流量电液伺服阀气动测量的泄漏量问题。

基于本研究方法研制的电液伺服阀叠合量气动测量设备已成功应用于伺服阀加工流程中，测量精度和重复性经过了长期充分的验证，为电液伺服阀的科研和生产提供了有效保障。电液伺服阀叠合量气动测量方法具有设备便宜、测试效率高、操作性强等优点。本研究在已有研究的基础[4]上，设计了新的气路结构和测量方法，进一步提高测试效率，一套滑阀副的配磨加工周期可以缩短到20 min以内，实现了快速测量。