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(上海航天控制技術(shù)研究所， 上海　201109)

引言

電液伺服閥[1，2]是電液伺服控制系統(tǒng)的核心控制元件，它接收系統(tǒng)給定的電信號(hào)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成比例功率級(jí)負(fù)載流量或負(fù)載壓力輸出，使電液伺服控制系統(tǒng)輸出一定的液壓功率，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。因此電液伺服閥的性能直接制約著電液伺服系統(tǒng)的整體性能，作為電液伺服閥功率級(jí)精密元件之一的閥芯閥套偶件(簡(jiǎn)稱滑閥副)的加工及檢測(cè)技術(shù)是伺服閥研制出產(chǎn)的核心技術(shù)[3]。

本研究根據(jù)伺服閥滑閥副關(guān)鍵精密參數(shù)疊合量的常規(guī)測(cè)試方法，采用理論分析與有限元方法反推滑閥副疊合量的計(jì)算方法，并開展伺服閥滑閥副疊合量氣動(dòng)精密檢測(cè)裝置的研制，通過驗(yàn)證表明：滑閥副疊合量精密檢測(cè)裝置測(cè)試方法正確、測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性好、測(cè)試精度可控制在1 μm內(nèi)，能夠滿足實(shí)際測(cè)試使用。

1　滑閥副疊合量原理分析

1.1　滑閥副工作原理介紹

伺服閥滑閥副疊合量示意圖如圖1所示，滑閥副主要是由閥芯和閥套兩部分組成， 滑閥副疊合量是指閥芯在閥套中位時(shí)，閥芯臺(tái)肩的工作棱邊和閥套相應(yīng)方孔工作邊的軸向配合尺寸(圖1中的X1、X2、X3、X4)，這些軸向配合尺寸一般僅有5～10 μm，常規(guī)的直接測(cè)試方法難以精確或快速測(cè)量。

1.閥套　2～5.閥口　6.閥芯圖1　滑閥副及各邊疊合量示意圖

圖2　滑閥副工作示意圖

1.2　滑閥副疊合量理論分析

1) 理論分析

根據(jù)伺服閥的實(shí)際工作情況，閥芯在閥套中位時(shí)，通過閥芯的左右移動(dòng)引起工作邊的軸向配合尺寸變化，這一微小變化使對(duì)應(yīng)閥口輸出對(duì)應(yīng)流量，滑閥副工作示意圖如圖2所示。本研究采用氣動(dòng)測(cè)量的方法對(duì)滑閥副疊合量進(jìn)行研究。

圖2中假設(shè)氣源壓力經(jīng)過減壓閥穩(wěn)壓后壓力為p1，并在測(cè)量過程中壓力p1始終保持穩(wěn)壓，不隨閥口大小的變化而變化[4]，閥口流量Q和開口量xv的關(guān)系為:

Q=cεωxvV

(1)

式中, c —— 閥口流量系數(shù)(無量綱)，在一定條件下可以視為常數(shù)

ε —— 空氣膨脹系數(shù)(無量綱)，在一定條件下可以視為常數(shù)

ω—— 閥口寬度，m

xv—— 閥口開口量，m

v—— 理想氣體的平均流速(m/s)，其關(guān)系為：

(2)

式中，p1—— 穩(wěn)壓后的壓力，Pa

pr—— 閥出口壓力即大氣壓，Pa

rc—— 空氣重度N/m3，在溫度和濕度不變時(shí)可以認(rèn)為是常數(shù)

g—— 重力加速度，m/s2

當(dāng)壓差Δp=p1-pr保持穩(wěn)定時(shí)，平均流速V為常數(shù)。那么閥口流量Q最終可以改寫為：

Q=cεωxvV=kxv

(3)

由式(3)可以看出，氣體流量與閥芯位移可以近似看成是線性關(guān)系，k為比例系數(shù)。即閥芯在閥套內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中，根據(jù)閥芯與閥套的開口大小與氣體流量近似成線性關(guān)系。

2) ANSYS有限元驗(yàn)證

由于滑閥副在疊合量零位附近氣體流場(chǎng)極為復(fù)雜，難以直接應(yīng)用縫隙流公式計(jì)算，本研究采用有限元數(shù)值模擬方法逐次求出滑閥副不同開口處的速度和質(zhì)量流量，最終將質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換為體積流量。設(shè)定閥套直徑為8 mm，閥芯與閥套配合徑向間隙為6 μm，已設(shè)定疊合量為10 μm，氣動(dòng)入口壓力為0.3 MPa(25 ℃)，由于徑向間隙的影響，出口流量在閥芯閥套重疊時(shí)并不為零。設(shè)定閥芯從-10 μm移動(dòng)到40 μm，圖3所示為有限元分析一開口處的氣體速度云圖。并給出閥芯不同的單邊位移與對(duì)應(yīng)的出口流量關(guān)系曲線。

圖3　有限元分析閥口一開口處流速云圖

圖4是有限元分析得出的閥芯單邊位移與流量關(guān)系圖。如圖4所示， 最后將所得的值進(jìn)行三次樣條插值處理，可以看出閥芯在經(jīng)過正開口后一段距離，流量在呈線性增加。

圖4　有限元分析得出的閥芯單邊位移與流量關(guān)系圖

由圖4可知，滑閥位置-流量曲線變化過程大致可分為三個(gè)階段：

第一個(gè)階段為閥芯閥套的重疊區(qū)，此時(shí)閥芯閥套有一定的疊合量，除測(cè)試系統(tǒng)回路外泄漏外，逃氣量主要是閥芯閥套疊合處的徑向間隙處的泄漏，其泄漏量極小，且與疊合長(zhǎng)度的倒數(shù)近似成線性關(guān)系；

第二階段為過渡階段，此時(shí)，滑閥位于零開口附近，泄漏量與疊合長(zhǎng)度的線性相關(guān)性較第一階段有明顯的下降，此階段中，逃氣量處于徑向間隙主導(dǎo)型與滑閥開口量主導(dǎo)型的過渡階段；

第三階段為開啟階段，此時(shí)閥口處于打開狀態(tài)，在介質(zhì)工作溫度與供氣壓力一定的條件下，根據(jù)小孔氣體流量公式可知，氣體流量與滑閥開口量成比例。

結(jié)合圖3可認(rèn)為開啟區(qū)的線性段直線與最小泄漏直線的交點(diǎn)為該滑閥副邊的疊合量。

2　伺服閥滑閥副疊合量測(cè)試裝置研究

伺服閥滑閥副疊合量氣動(dòng)測(cè)量方法是利用某種裝置使閥芯閥套的各閥口通入氣體之后，通過觀測(cè)氣體的流量或壓力變化來間接反映閥芯與閥套相應(yīng)工作邊之間的位置關(guān)系(即疊合量)，常見的氣動(dòng)測(cè)量方法可分為氣動(dòng)流量測(cè)量法和氣動(dòng)壓力測(cè)量法兩種[5]。

2.1　測(cè)量方法比較

氣動(dòng)壓力測(cè)量是一種通過測(cè)量閥口的壓力信號(hào)實(shí)

現(xiàn)對(duì)滑閥副疊合量檢測(cè)的方式，目前由于壓力傳感器的廣泛應(yīng)用，再加上傳感器特性對(duì)閥口的被測(cè)氣動(dòng)參數(shù)無影響的優(yōu)點(diǎn)，是大多數(shù)伺服閥生產(chǎn)廠家首選的自動(dòng)化測(cè)量方式，但是該方法僅限于小流量伺服閥的測(cè)量。對(duì)于大流量伺服閥而言，氣動(dòng)壓力測(cè)量方法獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)的一致性較差、精度低，不宜大流量伺服閥選用。

氣動(dòng)流量測(cè)量所需的測(cè)量設(shè)備少、測(cè)試效率高、操作性強(qiáng)，可以利用有限的工裝與設(shè)備實(shí)現(xiàn)低成本情況下的高精度測(cè)量，但是數(shù)據(jù)處理要求高，現(xiàn)有階段對(duì)自動(dòng)化、高精度、高效率方面的研究較少。本研究開展了氣動(dòng)流量測(cè)量方法自動(dòng)化、高精度檢測(cè)方法的實(shí)施研究。

2.2　伺服閥滑閥副疊合量檢測(cè)裝置搭建

伺服閥滑閥副疊合量測(cè)試平臺(tái)的總體硬件實(shí)現(xiàn)如圖5所示。測(cè)試硬件平臺(tái)主要由三部分組成， 分別是氣源部分、閥芯驅(qū)動(dòng)及位移檢測(cè)部分、計(jì)算機(jī)測(cè)試部分。

1) 氣源部分

氣源部分主要由壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、減壓閥、放氣閥、壓力表、流量計(jì)與流量顯示儀、電磁換向閥組成。原理圖如圖6所示。氣源經(jīng)過儲(chǔ)氣罐時(shí)會(huì)對(duì)壓力的波動(dòng)有一定的緩沖作用，可以防止氣源壓力的突變，之后經(jīng)過濾器后可以濾掉空氣中的大顆?；覊m，防止其夾雜在閥芯閥套處造成卡滯。在經(jīng)過兩道減壓閥后可以使出氣口壓力更為平穩(wěn)。

圖5　滑閥副疊合量測(cè)量裝置示意圖

圖6　氣源與供氣回路組成原理圖

在測(cè)試過程中精密減壓閥可以維持氣源壓力恒定，這一恒定的氣源壓力值直接決定了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與一致性。電磁換向閥根據(jù)計(jì)算機(jī)測(cè)試程序的工作指令進(jìn)行氣路的自動(dòng)切換，與驅(qū)動(dòng)裝置配合組成滑閥副四個(gè)工作邊的測(cè)試氣路。

2) 閥芯驅(qū)動(dòng)及位移檢測(cè)部分

閥芯驅(qū)動(dòng)及位移檢測(cè)部分主要由高精度步進(jìn)電機(jī)、無間隙絲桿、精密平面滑臺(tái)、LVDT位移傳感器、驅(qū)動(dòng)電路及工裝夾具組成。

測(cè)試過程中閥套由夾具固定，閥芯的運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)指令確定，也可手工進(jìn)行粗調(diào)位移，在一個(gè)測(cè)試過程中要完成正向—負(fù)向—正向的一個(gè)循環(huán)；位移傳感器主要用于檢測(cè)閥芯運(yùn)動(dòng)的位移，同時(shí)根據(jù)位移讀數(shù)也可使運(yùn)動(dòng)的行程控制在傳感器的范圍內(nèi)，避免傳感器運(yùn)動(dòng)到極限位置而受到損壞；手動(dòng)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)，使流量計(jì)的讀數(shù)在最小值附近，可以實(shí)現(xiàn)閥芯閥套位移的初步對(duì)中。

3) 計(jì)算機(jī)測(cè)試部分

計(jì)算機(jī)部分主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、測(cè)試軟件組成。測(cè)試過程一般在閥芯處于閥套中位時(shí)開始測(cè)試，該過程可以手動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)，也可以由計(jì)算機(jī)根據(jù)流量及位移關(guān)系完成自動(dòng)對(duì)中實(shí)現(xiàn)；測(cè)試時(shí)間、電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，電磁換向閥的開關(guān)均由計(jì)算機(jī)控制，同時(shí)測(cè)試結(jié)束后，數(shù)據(jù)的處理、圖像的顯示、報(bào)表的打印也由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成。

根據(jù)滑閥副疊合量精密測(cè)量的相關(guān)要求，軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)初始化部分、調(diào)零部分、測(cè)試部分和顯示打印部分等四部分組成，具體流程如圖7所示。

系統(tǒng)初始化部分主要將圖形、顯示燈、疊合量顯示值進(jìn)行清零操作，同時(shí)給電機(jī)斷電，防止因誤操作對(duì)測(cè)試過程造成影響。

圖7　滑閥副疊合量測(cè)試軟件流程圖

調(diào)零部分主要分為自動(dòng)調(diào)零和手動(dòng)調(diào)零兩部分，自動(dòng)調(diào)零是根據(jù)兩個(gè)不同的閥芯位置測(cè)得相同的氣體流量，最終使閥芯停留在這兩個(gè)位置的中間，其流量基本為最小值；手動(dòng)調(diào)零是在初步調(diào)零的基礎(chǔ)上，每點(diǎn)擊一次按鈕使閥芯位移前進(jìn)或后退2 μm左右的距離，使之最終停留在最小流量處。

測(cè)試部分主要是控制步進(jìn)電機(jī)按指定的方向、速度以及測(cè)試周期進(jìn)行，同時(shí)記錄閥芯的位移以及氣體的流量，并且在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)控制電磁閥換向以測(cè)試各工作邊的流量曲線，測(cè)試程序結(jié)束后切斷電機(jī)的供電以減少電機(jī)及電機(jī)控制板的發(fā)熱。

顯示打印部分將測(cè)試到的數(shù)據(jù)按一定規(guī)則進(jìn)行處理，并將疊合量的計(jì)算值、擬合的直線段及其與最小流量值的交點(diǎn)以顯示框和圖形格式顯示出來，最后打印生成報(bào)表。

3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)圖5研制的滑閥副疊合量精密測(cè)量裝置所測(cè)的滑閥副有四條工作邊，如圖8所示。在數(shù)據(jù)處理前，流量最小值對(duì)應(yīng)的閥芯位移可能不為零位，所以為了便于計(jì)算與數(shù)據(jù)處理，需對(duì)位移經(jīng)數(shù)據(jù)處理移至零位進(jìn)行計(jì)算[5]。移位后可以根據(jù)線性方程分別求出各邊疊合量，進(jìn)而將各邊疊合量取絕對(duì)值后求出內(nèi)外側(cè)疊合量的平均值[6]。

圖8　實(shí)測(cè)過程中的滑閥副疊合量曲線

測(cè)試軟件中有關(guān)滑閥副疊合量的計(jì)算采用最小二乘法對(duì)開啟階段閥芯位置-流量的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到線性回歸方程[7]：

y=Ax+B

(4)

(5)

(6)

此外，測(cè)試過程中數(shù)據(jù)難免會(huì)有毛刺突跳現(xiàn)象，需對(duì)毛刺點(diǎn)過濾后再求值[8]。求值過程還需注意，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)外側(cè)不僅工作邊最小流量值有所差異，并且最小流量處對(duì)應(yīng)的閥芯位移也有所差異。

3.2　試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證設(shè)備性能，針對(duì)某規(guī)格產(chǎn)品閥芯閥套零件進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)某伺服閥滑閥副的位移流量曲線如圖9所示。其測(cè)試數(shù)據(jù)內(nèi)邊平均疊合量為11.56 μm，外邊平均疊合量為11.22 μm。

通過對(duì)同一滑閥副多次測(cè)量，結(jié)果如表1所示，其重復(fù)精度在1 μm之內(nèi)，滿足測(cè)試過程的精確度要求。

由圖9所示可知此滑閥副測(cè)量重復(fù)精度小于0.4 μm，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)值8～12 μm的指標(biāo)。經(jīng)一組產(chǎn)品測(cè)試后裝調(diào)驗(yàn)證，測(cè)試合格零件均能滿足伺服閥裝調(diào)各項(xiàng)指標(biāo)，表明研制的滑閥副疊合量測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、高精度和提高效率的目的。

表1　四個(gè)工作邊疊合量五次測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9　軟件測(cè)試界面及測(cè)試結(jié)果

4　結(jié)論

本研究采用理論分析與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了滑閥副疊合量檢測(cè)的可行性與合理性，通過比較滑閥副氣動(dòng)測(cè)量方法，研制了滑閥副氣動(dòng)檢測(cè)裝置，測(cè)試數(shù)據(jù)一致性好，已成功運(yùn)用于伺服閥生產(chǎn)與測(cè)試環(huán)節(jié)中，取得了顯著效果。

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