， ,2 ， ，

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2.中國(guó)運(yùn)載火箭研究院第十八研究所, 北京 100071)

引言

隨著液壓技術(shù)的快速發(fā)展，電液伺服系統(tǒng)因其具有控制精度高、響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛性大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的運(yùn)用到了各個(gè)領(lǐng)域(如航天、冶金、工程機(jī)械等)[1]。在電液伺服系統(tǒng)中，電液伺服閥起到了調(diào)節(jié)與控制的作用；它控制著電液伺服系統(tǒng)中液體的流量、流向及壓力，以使得執(zhí)行元件獲得所需的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向及推力等[2]。在任何一個(gè)電液伺服系統(tǒng)中，如果電液伺服閥出現(xiàn)了故障，就會(huì)使得整個(gè)電液伺服系統(tǒng)癱瘓，以至于導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)線的停工。直驅(qū)式力馬達(dá)閥(Force Motor Valve，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FMV)因響應(yīng)快、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軋機(jī)AGC系統(tǒng)中[3]。在AGC系統(tǒng)中，F(xiàn)MV用于控制軋機(jī)工作輥的輥縫，輥縫的控制精度將直接影響鋼板的加工精度。因此，F(xiàn)MV在AGC系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。FMV在AGC系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，但因其價(jià)格昂貴如在損壞后直接對(duì)其進(jìn)行更換將大大的增加板材的加工成本，所以對(duì)FMV的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)的檢測(cè)是控制鋼材生產(chǎn)成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的伺服閥測(cè)試系統(tǒng)一般通過(guò)負(fù)載腔之間的流量、壓力變化來(lái)檢測(cè)其靜態(tài)特性，這一原理可有效用于三位四通伺服閥的靜態(tài)性能檢測(cè)。而FMV是一種特殊的三通閥，它的性能指標(biāo)無(wú)法像常見(jiàn)的三位四通伺服閥一樣通過(guò)負(fù)載腔之間的流量、壓力變化來(lái)檢測(cè)。因此，如何有效、實(shí)時(shí)的檢測(cè)這種直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能指標(biāo)，就成為了AGC系統(tǒng)能否正常工作的首要條件。

近些年來(lái)，研究者們對(duì)電液伺服閥開(kāi)展了很多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，取得了豐富的研究成果[4-9]。沈偉等人[10]研制出了一套高度自動(dòng)化的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)此測(cè)試系統(tǒng)可以完成各種比例閥靜動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果驗(yàn)證了此測(cè)試系統(tǒng)的合理性和可靠性。但其所研制出的測(cè)試系統(tǒng)只可以檢測(cè)常見(jiàn)的比例伺服閥，無(wú)法檢測(cè)直驅(qū)式力馬達(dá)閥。江海兵等人[11]對(duì)直驅(qū)式力馬達(dá)閥進(jìn)行了靜態(tài)性能測(cè)試，通過(guò)測(cè)試的結(jié)果分析了FMV常見(jiàn)故障的原因。雖然江海兵等人提出了一種用于檢測(cè)直驅(qū)式力馬達(dá)閥靜態(tài)性能的測(cè)試系統(tǒng)，但從文獻(xiàn)[11]可以看出液壓缸的下腔連接著蓄能器，蓄能器在測(cè)試過(guò)程中內(nèi)部壓力會(huì)存在著波動(dòng)，從而使得液壓缸下腔的壓力也存在著波動(dòng)，這有悖于伺服閥靜態(tài)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所要求的恒壓、空載等指標(biāo)。本研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能測(cè)試方法。根據(jù)伺服閥測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、搭建了用于檢測(cè)FMV性能指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)有效的檢測(cè)了FMV的靜態(tài)性能特性。

1 直驅(qū)式力馬達(dá)閥測(cè)試系統(tǒng)

1) 直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能測(cè)試液壓系統(tǒng)

基于伺服閥測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、搭建了用于檢測(cè)直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能指標(biāo)的測(cè)試平臺(tái)。本測(cè)試平臺(tái)的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，各個(gè)液壓元件之間通過(guò)油管相連接。其工作原理是啟動(dòng)電機(jī)21，電機(jī)21通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)斜盤(pán)式變量泵3，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。斜盤(pán)式變量泵3所輸出的油液通過(guò)溢流閥6來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的供油壓力，所設(shè)定的高壓油液通過(guò)減壓閥10將其降低至三位六通液動(dòng)換向閥14所需的推動(dòng)油壓。三位四通電磁換向閥11通過(guò)靜態(tài)測(cè)試儀來(lái)控制先導(dǎo)級(jí)油液的流向，從而驅(qū)動(dòng)三位六通液動(dòng)換向閥14閥芯運(yùn)動(dòng)，三位六通液動(dòng)換向閥14不同的閥芯位置表示測(cè)試直驅(qū)式力馬達(dá)閥不同的性能特性。

1.過(guò)濾器 2.開(kāi)關(guān) 3.斜盤(pán)式柱塞泵 4.單向閥 5.壓力表 6.溢流閥 7.循環(huán)冷卻系統(tǒng) 8.液位計(jì) 9.溫度傳感器 10.減壓閥 11.三位四通電磁換向閥 12.壓力傳感器 13.流量計(jì) 14.三位六通液動(dòng)換向閥 15.蓄能器 16.1腔壓力表 17.P腔壓力表 18.2腔壓力表 19.R腔壓力表 20.閥座 21.電機(jī)圖1 直驅(qū)式力馬達(dá)閥測(cè)試系統(tǒng)的液壓原理圖

2) 直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能測(cè)試電氣系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)的電氣控制原理如圖2所示，其中包括靜態(tài)測(cè)試儀、壓力傳感器、流量計(jì)、FDQ伺服放大器、記錄儀、位移傳感器、傳感器電路板、萬(wàn)用表等。其控制原理為靜態(tài)測(cè)試儀發(fā)出電信號(hào)通過(guò)FDQ伺服放大器將電信號(hào)放大，再將放大的電信號(hào)傳輸給直驅(qū)式力馬達(dá)閥從而控制直驅(qū)式力馬達(dá)閥閥芯動(dòng)作；直驅(qū)式力馬達(dá)閥閥芯動(dòng)作后將會(huì)引起閥芯與閥套之間的開(kāi)口度變化，不同的開(kāi)口度將對(duì)應(yīng)著不同的流量和壓力。通過(guò)流量計(jì)和壓力傳感器將變化的流量和壓力信號(hào)進(jìn)行采集。流量計(jì)和壓力傳感器將所采集到的流量和壓力信號(hào)傳輸給靜態(tài)測(cè)試儀進(jìn)行處理，靜態(tài)測(cè)試儀將處理好的信號(hào)傳輸給記錄儀，記錄儀將收集到的數(shù)據(jù)繪制成曲線。位移傳感器是用于檢測(cè)閥芯位移以及調(diào)零監(jiān)視。要輸出直驅(qū)式力馬達(dá)閥閥芯的位移信號(hào)就必須設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器電路板，通過(guò)傳感器電路板將直驅(qū)式力馬達(dá)閥閥芯的位移信號(hào)傳輸給萬(wàn)用表或記錄儀，萬(wàn)用表或記錄儀將其位移信號(hào)通過(guò)電壓的形式輸出。

圖2 直驅(qū)式力馬達(dá)閥測(cè)試系統(tǒng)的電氣控制原理圖

2 直驅(qū)式力馬達(dá)閥原理及性能測(cè)試方法

直驅(qū)式力馬達(dá)閥是采用馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)。此類(lèi)閥具有靜動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)快、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理是輸入信號(hào)為零時(shí)，銜鐵處于中位，此時(shí)左右工作氣隙相等；永久磁鐵的磁勢(shì)在工作氣隙處產(chǎn)生固定磁通；給線圈輸入控制電流時(shí)，在工作氣隙處產(chǎn)生控制磁通；控制磁通與固定磁通相互左右，馬達(dá)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，其大小與輸入電流信號(hào)成比例[12]。伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)原理和方法要求滿(mǎn)足液壓行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)方法。伺服閥性能試驗(yàn)主要是測(cè)試其靜態(tài)性能曲線(壓力特性曲線、流量特性曲線、內(nèi)泄漏特性曲線等)[13]。而直驅(qū)式力馬達(dá)閥是一種特殊的三通閥，無(wú)法像測(cè)試四通伺服閥一樣通過(guò)負(fù)載腔之間的流量、壓力等變化來(lái)檢測(cè)其靜態(tài)性能指標(biāo)。因此，本研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能測(cè)試方法，其測(cè)試方法如圖3所示。它是通過(guò)轉(zhuǎn)接塊來(lái)連接直驅(qū)式力馬達(dá)閥和實(shí)驗(yàn)臺(tái)閥座；轉(zhuǎn)接塊使得直驅(qū)式力馬達(dá)閥的ps腔與實(shí)驗(yàn)臺(tái)閥座22的P腔相連，T腔與實(shí)驗(yàn)臺(tái)閥座22的R腔相連；在轉(zhuǎn)接塊的內(nèi)部通過(guò)打內(nèi)孔，將直驅(qū)式力馬達(dá)閥的C1腔與ps腔相連，C2腔與T腔相連，兩腔之間是通過(guò)油管進(jìn)行連接，并在油管的端口處接止向開(kāi)關(guān)。測(cè)試直驅(qū)式力馬達(dá)閥流量特性曲線時(shí)將轉(zhuǎn)接塊上的止向開(kāi)關(guān)打開(kāi)，使得C1腔和ps腔連通，C2腔和T腔連通。當(dāng)給定直驅(qū)式力馬達(dá)閥正或負(fù)電流信號(hào)時(shí)，會(huì)使得閥芯往左或往右運(yùn)動(dòng)，不同的電流信號(hào)會(huì)使得閥芯產(chǎn)生不同的位移。當(dāng)閥芯運(yùn)到左側(cè)時(shí)，會(huì)使得ps腔與C2腔相通，C2腔又因油管連接使其與T腔相通，再通過(guò)靜態(tài)測(cè)試儀控制三位四通電磁換向閥一側(cè)(左側(cè))電磁鐵通電，從而使得先導(dǎo)級(jí)油液推動(dòng)三位六通液動(dòng)換向閥閥芯往左運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)靜態(tài)測(cè)試儀、FDQ伺服放大器及記錄儀將直驅(qū)式力馬達(dá)閥的流量特性曲線測(cè)繪出；因?qū)⒘髁坑?jì)接在回油腔上，故其流量曲線上流量都為正值。測(cè)試直驅(qū)式力馬達(dá)閥壓力、內(nèi)泄漏特性曲線時(shí)將轉(zhuǎn)接塊上兩止向開(kāi)關(guān)都關(guān)閉，通過(guò)靜態(tài)測(cè)試儀控制三位四通電磁換向閥一側(cè)(左側(cè))電磁鐵通電，從而使得先導(dǎo)級(jí)油液推動(dòng)三位六通液動(dòng)換向閥閥芯往左運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)靜態(tài)測(cè)試儀、FDQ伺服放大器及記錄儀將直驅(qū)式力馬達(dá)閥的壓力、內(nèi)泄漏特性曲線測(cè)繪出。

圖3 直驅(qū)式力馬達(dá)閥測(cè)試方法

3 直驅(qū)式力馬達(dá)閥流量特性曲線及其技術(shù)指標(biāo)

伺服閥靜態(tài)性能指標(biāo)是衡量伺服閥性能好壞的重要依據(jù)。伺服閥靜態(tài)性能指標(biāo)包括額定流量、滯環(huán)、分辨率、零偏、內(nèi)泄漏等。

直驅(qū)式力馬達(dá)閥在正常工作中所要求的靜態(tài)特性指標(biāo)如表1所示。本研究通過(guò)上述所提出的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)、搭建了用于檢測(cè)FMV性能指標(biāo)的測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)此測(cè)試系統(tǒng)實(shí)際的測(cè)試了直驅(qū)式力馬達(dá)閥的靜態(tài)特性。其流量特性曲線如圖4所示：此流量曲線是當(dāng)系統(tǒng)壓力設(shè)定為7 MPa、給定閥電流信號(hào)為±2 A、未加勵(lì)振時(shí)通過(guò)記錄儀自動(dòng)打印出。根據(jù)圖4的流量特性曲線可得出內(nèi)泄漏為7.5 L/min，運(yùn)用公式可計(jì)算出直驅(qū)式力馬達(dá)閥的分辨率為6%、零偏為3%、滯環(huán)為6%，將計(jì)算得出的指標(biāo)與表1對(duì)比可得出： 直驅(qū)式力馬達(dá)閥存在著滯環(huán)大，內(nèi)泄漏量大，分辨率超標(biāo)等問(wèn)題。通過(guò)將該閥拆解、清洗、加勵(lì)振等處理后，重新全面的測(cè)試了該閥的靜態(tài)特性。其流量特性曲線如圖5所示：此流量曲線是當(dāng)系統(tǒng)壓力設(shè)定為7 MPa、給定電流信號(hào)為±1 A、加勵(lì)振時(shí)通過(guò)記錄儀自動(dòng)打印所得。因給直驅(qū)式力馬達(dá)閥加了零偏電流，從而使得流量曲線中正負(fù)電流兩側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)。根據(jù)圖5的流量特性曲線可得出內(nèi)泄漏為6.5 L/min，運(yùn)用公式可計(jì)算出直驅(qū)式力馬達(dá)閥的分辨率為3.5%、零偏為3.5%、 滯環(huán)為2%，將計(jì)算得出的指標(biāo)與表1對(duì)比可得出：直驅(qū)式力馬達(dá)閥各項(xiàng)性能指標(biāo)基本滿(mǎn)足正常工作要求。

表1 直驅(qū)式力馬達(dá)閥靜態(tài)特性指標(biāo)

圖4 直驅(qū)式力馬達(dá)閥(未加勵(lì)振)流量特性曲線

圖5 直驅(qū)式力馬達(dá)閥(加勵(lì)振)流量特性曲線

4 結(jié)論

直驅(qū)式力馬達(dá)閥因響應(yīng)快、控制精度高、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軋機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)。對(duì)直驅(qū)式力馬達(dá)閥的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)的檢測(cè)是控制鋼材生產(chǎn)成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因直驅(qū)式力馬達(dá)閥是一種特殊的三通閥，其靜態(tài)特性指標(biāo)無(wú)法像常見(jiàn)的四通閥那樣通過(guò)負(fù)載腔之間的流量、壓力變化來(lái)測(cè)得。提出并實(shí)現(xiàn)了一種直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能測(cè)試方法，根據(jù)伺服閥測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)、搭建了用于檢測(cè)直驅(qū)式力馬達(dá)閥性能的測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)所搭建的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、有效地檢測(cè)了直驅(qū)式力馬達(dá)閥的靜態(tài)特性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧元芳.液壓AGC[J].液壓氣動(dòng)與密封，1997,(2)：34-35.

[2] 王春行. 液壓控制系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2013.

[3] 陳先惠.日立FMV伺服閥特性與檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2013，41(14)：59-62.

[4] 王鈞.FA表面改質(zhì)劑在伺服閥壓裝中的應(yīng)用[J].航空精密制造技術(shù)，2001，37(3)：25-27.

[5] 劉新靈，彭凱，白明遠(yuǎn)，于洋.電液伺服閥彈簧管失效分析[J].材料工程.2012,(8)：11-13.

[6] 江海兵，曹樹(shù)平，朱會(huì)學(xué),等.森吉米爾軋機(jī)FMV閥控缸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究[J].機(jī)床與液壓,2004,(7)：45-46.

[7] 付永領(lǐng)，裴忠才，王占林.伺服作動(dòng)系統(tǒng)的余度控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1999，25(5)：531-534.

[8] 劉國(guó)華，花蓉.新型功能材料驅(qū)動(dòng)的高性能電液伺服閥[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005，28(1)：45-48.

[9] K Dasgupta，H Murrenhoff.Modelling and Dynamics of a Servo-valve Controlled Hydraulic Motor by Bondgraph[J].Mechanism and Machine Theory,2011,(46)：1016-1035.

[10] 沈偉，王軍政，汪首坤,等.電液比例閥靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].機(jī)床與液壓，2005,(7)：108-110.

[11] 江海兵，鄭家錦，周兆忠.直驅(qū)式力馬達(dá)閥(FMV)靜態(tài)特性試驗(yàn)研究與故障分析[J].機(jī)床與液壓，2008,36(9):276-277.

[12] 田源道.電液伺服閥技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2008.

[13] 張利平.液壓閥原理、使用與維護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.