伺服阀科学使用的研究

郑文明，刘雨，刘森

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司设备部，河北唐山 063200)

0 前言

伺服阀是伺服液压系统的核心元件，广泛用于位置、速度、加速度和力的控制。它将微弱的电信号成比例地转换成液压系统的流量或压力输出，具有控制精度高、响应速度快、输出功率大等优点。冶金系统由于自身工作特点，在轧制厚度控制、矫直控制、卷取控制等环节中大量采用伺服阀。因用户对带钢品种、质量和精度都有了很高的要求，所以研究伺服阀特性对提高轧钢设备伺服液压系统的性能和带钢的品质有重要意义。

伺服阀性能故障在伺服阀故障中占比较大，如分辨率下降、流量增益不稳定、零点漂移、响应变慢、内泄漏流量增大、滞环增大等。伺服阀一般用于闭环控制系统,有时也用于开环控制系统。在位置和力控制系统中，伺服阀通过执行元件对被控对象进行调整时，往往处在小偏差位置，即零位附近。因此，伺服阀的零位特性是决定伺服阀和伺服液压系统性能的重要特性。

目前，某公司装机MOOG品牌伺服阀有561台，准确掌握每台伺服阀的运行状况并根据使用工况和伺服阀性能进行合理使用，对保障设备稳定运行和减少备件维护成本具有重要意义。

1 零位阀系数

滑阀式液压放大器是利用阀芯的节流棱边与阀套的节流棱边配合而构成的节流作用来实现液压能控制，它通过控制阀芯的位移量改变节流口的通流面积，从而实现对输入执行元件流量和压力的调节。在不同工作点上，伺服阀的系数不同，零位工作点处的系数叫做零位阀系数。

流量增益为流量特性曲线在某一点的切线斜率。流量增益表示负载压降一定时，阀单位输入位移引起的负载流量的变化，其值越大，阀对负载流量的控制就越灵敏。理想零开口四边滑阀零位流量增益：

式中：0为零位流量增益；为流量系数；为节流口面积梯度；为供油压力；为油液密度。

压力增益为压力特性曲线在某一点的切线斜率。压力增益是指输出流量为0时，单位输入位移引起的负载压力的变化。压力增益表示阀控制执行元件组合驱动大惯性或摩擦力负载的能力，值越大，阀对负载的控制灵敏度越高。实际零开口四边滑阀零位压力增益：

式中：0为零位压力增益；为流量压力增益系数；为油液动力黏度；为阀芯阀套间径向间隙。

流量压力增益表示阀的开口一定时，负载压降变化所引起的负载流量变化。流量压力增益系数体现了执行元件的速度衰减与负载之间的关系，即由于节流特性所产生的阻尼效应。流量压力增益系数会影响液压控制系统的阻尼比，同时也会影响系统的速度刚度。其值越小，阀抵抗负载变化的能力越大，即阀的刚度越大。实际零开口四边滑阀零位流量压力增益系数：

实际上,零开口滑阀具有径向间隙，还有很小的正重叠量，同时阀芯、阀套棱边也不可避免地存在圆角。因此，伺服阀在中位附近微小范围内移动时，零位内泄漏流量不可忽略，它也决定了伺服阀的零位性能。在零位范围以外，阀芯、阀套径向间隙影响可以忽略，理想特性与实际的零开口伺服阀特性一致。

式中：为总泄漏流量。

3个阀的系数的关系为

=

式中：为流量增益；为压力增益；为流量压力增益系数。因此，研究伺服阀的零位阀系数和零位内泄漏流量，对保证液压系统的稳定性、响应特性和稳态误差非常重要。

2 测试曲线性能分析

某公司中厚板4300产线轧机弯辊伺服液压系统和对中伺服液压系统使用的伺服阀为某品牌D663Z4305K型号伺服阀，伺服阀控制信号为±10 mA、额定流量为350 L/min、主阀芯位移为±4.5 mm。弯辊伺服液压系统工作压力为28 MPa，在钢板轧制过程中，伺服阀处于长期调节状态，即工作在零位附近。对中伺服液压系统工作压力为18 MPa，伺服阀在钢板轧制前调节到位，所以伺服阀长期处于大开口工作状态。

2.1 流量增益曲线分析

张鑫彬等研究伺服阀滑阀副叠合量气动测量方法，利用有限元分析阀芯单边位移与流量关系，结果如图1所示。可知：第1阶段为阀芯阀套有一定重叠量的区域；第2阶段为阀芯阀套过渡区，接近零开口附近；第3阶段为开启阶段，阀口处于打开状态，流量与滑阀开口量成比例阶段。

图1 有限元分析法阀芯单边位移与流量的关系

D663Z4305K新伺服阀10%控制信号时的空载流量曲线如图2所示，D663Z4305K旧伺服阀10%控制信号时的空载流量曲线如图3所示，测试条件如表1所示。比较图2和图3并做空载流量曲线切线，可以看出：图2中的过渡区为0.15～0.4 mA,流量增益较小，在0.4 mA以后即为伺服阀开启阶段，流量增益较大；图3中的过渡区为0.15～0.4 mA，流量增益变大，0.4～0.5 mA伺服阀开启阶段流量增益变小。流量增益直接影响系统的开环增益，因而对系统的稳定性、响应特性与稳态误差有直接影响。零位增益大，则系统在零位易产生自激；零位增益小，则系统在零位时特性变差，在低幅度输入时系统响应变慢。

图2 新伺服阀空载流量曲线 图3 旧伺服阀空载流量曲线

表1 流量增益测试条件

2.2 压力增益曲线分析

D663Z4305K新伺服阀10%控制信号时的压力增益曲线如图4所示，D663Z4305K旧伺服阀10%控制信号时的压力增益曲线如图5所示，测试条件如表2所示。比较图4和图5压力增益曲线切线，可以看出：图4中的过渡区为0.1～0.25 mA之间,压力增益较小，在0.25 mA以后即伺服阀开启阶段压力增益较大；图5中的过渡区在0.1～0.25 mA之间，压力增益变大，0.25～0.3 mA伺服阀开启阶段压力增益变小。压力增益表示伺服阀控制执行元件组合驱动大惯性或摩擦力负载的能力较差。

图4 新伺服阀压力增益曲线 图5 旧伺服阀压力增益曲线

表2 压力增益测试条件

2.3 泄漏流量曲线分析

D663Z4305K新伺服阀100%控制信号时，P-A、P-B、A-T、B-T各节流口流量曲线如图6所示，D663Z4305K新伺服阀100%控制信号时，内泄漏流量曲线如图7所示，信号调节范围为-10～+10 mA，其余测试条件与流量增益测试条件相同。可知：在0.1～0.3 mA控制信号范围内，油口P-A接通并工作在A口开启位置附近时，有少量的液压油由P-B、A-T回流到油箱；伺服阀最大内泄漏流量为1.8 L/min。

图6 新伺服阀P-A、P-B、A-T、B-T各节流口流量曲线 图7 新伺服阀内泄漏流量曲线

D663Z4305K旧伺服阀100%控制信号时，P-A、P-B、A-T、B-T各节流口流量曲线如图8所示，D663Z4305K旧伺服阀内泄漏流量曲线如图9所示，测试条件与D663Z4305K新伺服阀100%控制信号的测试条件相同。可知：在0.1～1.4 mA控制信号范围内，在油口P-A接通并工作在A口开启位置附近时，有大量的液压油由P-B、A-T回流到油箱；伺服阀最大内泄漏流量为9 L/min；比较图7与图9，零位以外区域内泄漏流量无变化。

图8 旧伺服阀P-A、P-B、A-T、B-T各节流口流量曲线 图9 旧伺服阀内泄漏流量曲线

对于新伺服阀，可用内泄漏流量评价其制造质量。对于旧伺服阀，内泄漏流量可用于判断其磨损程度。新阀内泄漏液流是层流型，已经使用过的旧阀，由于液压油污染颗粒度的增加和酸值升高,导致阀芯阀套间隙磨损(新阀间隙为6～8 μm)，特别是对阀芯阀套棱边的磨损(工作边重叠量为2～4 μm)，导致重叠量减少和面积增加，液流变为小节流型，这是内泄漏流量增加的主要原因。内泄漏流量增加导致伺服液压系统能源消耗增加，系统发热严重、效率降低，严重时影响液压系统的稳定性。

通过以上分析得出：

(1)伺服阀的系数随阀的工作点而变，最重要的工作点是压力、流量的零位，因为反馈系统经常在零位附近工作。伺服阀在零位时流量增益0越大，因而系统的开环增益也越高，即系统增益越大，此时系统稳定性越差。阀的流量压力增益系数越小，系统的阻尼越低。伺服液压系统在零位能稳定工作，则在其他工作点也能稳定工作。

(2)伺服阀阀芯、阀套棱边的磨损是导致伺服阀零位流量增益、零位压力增益、流量压力增益系数下降和零位内泄漏流量增加的主要原因。在零位以外，伺服阀性能不受阀芯、阀套棱边磨损的影响。因此，可以将轧机弯辊伺服液压系统伺服阀更换到对中伺服液压系统中使用，以减少设备维护成本，保障设备稳定运行和精度。

3 结论

伺服阀阀芯、阀套棱边的磨损是导致伺服阀零位特性下降和零位内泄漏流量增加的主要原因，零位以外的伺服阀性能不会受到影响。因此，研究伺服阀特性，并根据不同工况科学地使用伺服阀，对提高伺服液压系统的性能和产品的质量具有重要意义，同时也可降低设备的维护成本。