方 鼎，金 陽，湯 力，王亞琪

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

20 世紀60 年代，電液伺服閥的開發(fā)研制迅速發(fā)展，電液伺服系統(tǒng)開始成為伺服機構主要選用類型，因其功率大、結(jié)構緊湊等特點，在航天、航空領域廣泛應用。近年來，隨著電液伺服機構貯存壽命到期，電液伺服機構的貯存延壽研究成為亟需課題。迄今為止，國內(nèi)外對元器件、原材料的加速貯存壽命試驗已經(jīng)有一些研究成果和應用信息，但對整機的加速貯存壽命試驗情況卻很少報道。傳統(tǒng)的加速試驗方法的關鍵是找準加速應力。根據(jù)產(chǎn)品的組成、薄弱環(huán)節(jié)、工作原理及功能的不同，首先要選擇準確的加速應力，再以恒定應力加速壽命試驗、步進應力加速壽命試驗或序進應力加速壽命試驗開展相應加速試驗。由于電液伺服機構是集機械、電子、液壓于一體的復雜產(chǎn)品，其配套的不同專業(yè)領域的元件、組件和零件的加速試驗應力量級水平差異較大，難以開展以伺服機構整機為試驗對象的加速貯存試驗研究，一般只選取各專業(yè)領域有代表性元組件進行加速貯存試驗方法的研究，但這種方法缺少對伺服機構整機的加速貯存壽命的認識。

1 整機在長期貯存下性能分析

整機在自然貯存過程中，會受到溫度、濕度、振動、沖擊、鹽霧、油霧、霉菌等環(huán)境因素的影響。理論上，無論產(chǎn)品在包裝箱內(nèi)或已上艙狀態(tài)，由于整機驗收時采取了“三防”措施，受鹽霧、油霧、霉菌等影響較小，且整機在正常量級的振動和沖擊條件也不會有損傷；唯獨溫度和濕度的影響不可忽視，故這里僅分析整機性能受高溫、低溫、高濕的影響情況。

a）高溫。

高溫環(huán)境會使液壓油液的粘度減小，當油液在回路中流動時，會加劇電機、油泵的磨損，使得伺服整機的動態(tài)特性變差，嚴重時可能會造成活動部位的卡澀現(xiàn)象；會加速非金屬材料和元器件的老化，引起伺服閥的包膠融化等。

b）低溫。

低溫環(huán)境時密封膠料變脆，密封性能變差，嚴重的漏油漏氣現(xiàn)象可能導致整機功能失效。所以在貯存過程中，對低溫環(huán)境有嚴格控制，一般不會有太大的實際影響。

c）高濕。

高濕貯存，會影響絕緣材料的性能；傳感器的非金屬材料部分膨脹變形，體積電阻下降；伺服殼體表面產(chǎn)生銹蝕和霉變，影響外觀。

通過對自然貯存時間不同的整機子樣進行外觀檢查和性能測試發(fā)現(xiàn)，排除自身故障原因，隨著自然貯存時間的延長，伺服機構整機出現(xiàn)的主要問題有：殼體銹蝕、絕緣電阻下降、漏油漏氣、電位器線性度超差等。

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在自然貯存中出現(xiàn)故障的整機情況與理論分析基本一致。殼體銹蝕問題在貯存問題中較為突出，這是因為金屬殼體表面鍍層脫落，殼體表面暴露在高溫高濕環(huán)境引發(fā)銹蝕，但不影響整機性能。其他問題雖然在整機上出現(xiàn)比例不高，但究其原因，還是整機上的零組件受貯存環(huán)境影響性能下降所導致的，一般零組件的性能下降到一定程度才能在整機上有所體現(xiàn)，這就要求對整機上零組件隨貯存時間的性能變化規(guī)律有更深入的了解。

2 電液伺服機構的結(jié)構組成

電液伺服機構是集機械、電子、液壓于一體的復雜產(chǎn)品，其上應用了大量屬于不同專業(yè)領域的元組件和零件，包括伺服電機、油泵、伺服閥、反饋電位計、壓力傳感器、油面電位計、各類活門、多種密封件及非金屬材料等。電液伺服機構的結(jié)構示意如圖1 所示。

圖1 電液伺服機構結(jié)構示意Fig.1 Electro-hydraulic Servo Mechanism Structure

為便于分析貯存環(huán)境對伺服機構零組件的影響，將電液伺服機構的零組件分為4 種類型：

a）金屬結(jié)構件。

1）蓄能器：系統(tǒng)的輔助能源，維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定；

2）油箱：用于貯存和向系統(tǒng)提供所需的油液；

3）作動筒：用于操縱負載，實現(xiàn)推力矢量控制。

b）監(jiān)測傳感器。

1）壓力傳感器：用于監(jiān)測系統(tǒng)壓力；

2）油面電位計：用于監(jiān)測系統(tǒng)油面；

c）影響整機性能的元組件。

1）伺服電機：帶動油泵轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換到機械能；

2）油泵：使低壓油變?yōu)楦邏河?，將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能；

3）伺服閥：將接收的小指令電流，變化或放大成一定功率的高壓流量，進入作動筒中實現(xiàn)活塞桿的伸縮運動；

4）反饋電位計：把機械位移轉(zhuǎn)換成電壓輸出的傳感元件，參與反饋控制；

5）各類活門：控制系統(tǒng)壓力平衡，確保系統(tǒng)安全。

d）密封件。

用于防止工作介質(zhì)泄漏及外界的氣體、塵埃進入液壓系統(tǒng)，包括用于靜止和移動的橡膠密封圈、聚四氟乙烯與橡膠的復合密封裝置等。

3 元件在長期貯存下的性能分析

電液伺服機構隨著貯存時間的延長，其在環(huán)境溫度、濕度、振動、壓力、通電測試等敏感條件的作用下，必然造成其零組件及非金屬材料性能、可靠性的下降，加之伺服機構每年4 次的例行測試，每臺的年工作時間約在2~3 h。這必然加劇了元件受貯存環(huán)境的影響，導致伺服機構的性能和可靠性較初始狀態(tài)有一定程度的降低。

金屬結(jié)構件在長期貯存下有較強的耐環(huán)境能力，殼體和機加零件除外表面部分鍍層脫落出現(xiàn)霉銹情況外，無影響產(chǎn)品性能的缺陷；用于狀態(tài)監(jiān)測的壓力傳感器及油面電位計，其自身性能雖略有下降，但作為監(jiān)測裝置并不影響伺服機構的性能，故重點分析影響性能的零組件和密封件在長期貯存下的性能變化情況。

a）伺服電機。

伺服電機是電液伺服機構的動力元件，由直流電源供電，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動負載泵為伺服機構提供動力能源。伺服電機一般主要由定子（包括殼體、磁極）、電樞（包括電樞繞組、換向器等）、電刷裝置3 部分組成。其中，電樞為多種金屬零部件及絕緣材料的組合，是影響電機主要電氣性能的組件。

一般認為，電樞中金屬組成部分在長時間貯存時性能不會發(fā)生明顯變化，只有組成電樞的絕緣材料（如漆皮、浸漬漆、絕緣漆、絕緣布等）會隨長時間貯存發(fā)生老化。隨著貯存時間加長，伺服電機電樞的支撐軸承內(nèi)潤滑脂會揮發(fā)或干涸，軸承在無潤滑條件下運轉(zhuǎn)，摩擦力矩增大。對于軸承而言，容易造成疲勞破壞，轉(zhuǎn)動不靈活；對于電機而言，力矩增大，造成電流增大，溫升提高。而溫升是電機中蝸卷彈簧的敏感因素，直接影響彈簧的工作可靠性，嚴重時甚至造成電機燒毀。長期貯存的電機還存在定子磁鋼脫粘、轉(zhuǎn)子換向器磨損問題。電刷長期使用帶來的磨損，會造成電刷與電樞不同程度的接觸不良，降低電機使用可靠性甚至燒毀。

決定電機性能的主要參數(shù)有負載力矩、轉(zhuǎn)速等。通過對貯存時間不同的電機子樣進行跟蹤測試發(fā)現(xiàn)，隨著自然貯存時間的延長，電機性能均有一定程度的下降。電機性能在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)如表1 所示，從子樣的復測數(shù)據(jù)來看，電機的負載力矩隨貯存時間延長而增大，轉(zhuǎn)速隨貯存時間延長而降低，實測數(shù)據(jù)與理論分析中電刷的磨損情況相符。其中，電機在第15 年開始性能變化程度變大，可能與此時電樞支承軸承處于無潤滑狀態(tài)相關。

表1 電機性能在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)Tab.1 Retest Data of Motor Performance at Different Storage Times

b）油泵。

油泵在長期貯存和使用條件下，油泵內(nèi)每個柱塞桿在座中和在柱塞中的總軸向間隙值因磨損變大。泵芯上柱塞組件的軸向間隙反映了柱塞組件的收口質(zhì)量，收口質(zhì)量是影響柱塞泵工作可靠性的重要因素，良好的收口質(zhì)量是油泵可靠工作的必要條件，柱塞收口部位發(fā)生拉脫會導致柱塞泵功能失效。柱塞桿在座中的間隙和柱塞桿在柱塞中的間隙，是衡量收口質(zhì)量的重要指標：首先要求柱塞桿和座之間，以及柱塞桿和柱塞之間的球面副應該可以靈活運動，不應該出現(xiàn)卡澀或抱死，同時為保證泵的工作壽命和可靠性，間隙值不能過大，因此需要將間隙值控制在一定范圍內(nèi)。隨著工作時間的累積，摩擦副必然會不斷磨損，導致柱塞組件的軸向間隙變大。

除上述影響外，油泵的漏油問題也是液壓伺服產(chǎn)品在長期貯存中常遇到的問題。這是由于油泵結(jié)構中存在多種密封形式，油泵的機械密封副屬接觸式密封，油泵工作時動環(huán)隨著傳動軸高速旋轉(zhuǎn)，與靜環(huán)產(chǎn)生相對高速轉(zhuǎn)動，接觸面形成油楔，在離心力作用下阻止油液從動環(huán)的外側(cè)流向內(nèi)側(cè)，實現(xiàn)動密封作用。隨貯存時間的加長，密封件會出現(xiàn)不同程度的老化，表現(xiàn)為密封性能下降，嚴重的漏油還會導致油泵工作失效。

在同一壓力和轉(zhuǎn)速條件下，油泵的額定流量可以表征油泵性能的好壞。假定給油泵14 MPa 的工作壓力，通過對貯存時間不同的油泵子樣進行復測，貯存時間越長的油泵，其額定流量下降程度越大，油泵額定流量在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 油泵性能在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)Tab.2 Retest Data of Oil Pump Performance at Different Storage Times

c）伺服閥。

伺服閥是電液伺服機構的核心控制元件，它將小功率的電信號轉(zhuǎn)換為閥芯的運動，再由閥芯的運動去控制流向液壓伺服作動器的高壓液流方向和流量大小，從而帶動伺服作動器的活塞桿按照預定的指令作快速、準確的運動。伺服閥磁鋼性能會隨時間有所下降，這將直接影響伺服閥的性能，引起銜鐵組件的綜合剛度的提高，造成伺服閥的動態(tài)性能下降，流量增益下降，零位發(fā)生變化；另一方面，由于伺服閥工作時閥芯的磨損，會導致伺服閥靜耗量增大，伺服閥靜耗量的大小直接影響伺服機構整機大速度持續(xù)能力。上述2 項性能的變化會對伺服機構整機動態(tài)性能會造成不同程度影響。從伺服閥子樣的復測數(shù)據(jù)來看，隨著貯存時間的加長，伺服閥的流量增益有所下降，零偏有所增大，部分數(shù)據(jù)已超出技術要求，作為伺服整機的核心部件，直接影響到整機的性能和可靠性。

表3 伺服閥性能在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)Tab.3 Retest Data of Servo Valve Performance at Different Storage Times

d）反饋電位計。

反饋電位計由電阻組件和刷握組件組成。電阻組件上電阻膜是用石墨粉、石英粉、樹脂等材料混合后經(jīng)過噴覆而成，經(jīng)過長期貯存和使用，由于阻膜磨損和非金屬材料的變化，造成線性度的變化較大。反饋電位計的線性度直接影響到伺服機構整機位置特性中線性度。刷握組件由于長期處于受壓狀態(tài)，使得電刷產(chǎn)生塑性變形，自由高度變小，導致壓縮量減小。按照壓縮量Δ=自由高度-壓縮后高度的計算方法，其中，壓縮后的高度受機械位置限制為固定值。某型號使用的刷握組件在長期受壓狀態(tài)壓縮量減小了50%，已大大低于設計要求。工作時電刷的壓縮量過小，產(chǎn)品耐振性變差，工作可靠性降低。

反饋電位計作為閉環(huán)控制中數(shù)據(jù)的采集元件，其線性度直接影響控制的精度。從長期貯存的復測數(shù)據(jù)來看，反饋電位計在長期貯存使用中，阻膜磨損對其線性度影響較大，繼而對伺服整機的跟隨精度有一定的影響。

表4 反饋電位計在不同貯存時間的復測數(shù)據(jù)Tab.4 Retest Data of Feedback Potentiometer Performance at Different Storage Times

e）各類活門。

電液伺服機構上的活門主要包括：高壓安全閥、旁通閥、低壓安全活門、溢流活門等，其基本結(jié)構由閥體、閥芯、彈簧、鎖緊結(jié)構、密封件組成。

活門的壓力調(diào)節(jié)依靠內(nèi)置彈簧，活門彈簧在非工作狀態(tài)一般會施加預緊力保證活門的開關狀態(tài)的穩(wěn)定。長期貯存和使用條件下，部分活門出現(xiàn)彈簧彈力下降，活門開啟壓力降低等問題。通過復測數(shù)據(jù)來看，彈簧彈力下降的程度與活門的彈簧絲粗細及有效圈數(shù)相關，越細越長的彈簧絲在長期受壓的情況下，其彈力下降程度越大，且出現(xiàn)彈簧并圈和失效的可能性也越大。在彈簧失效的情況下，閥芯會產(chǎn)生竄動，活門的開啟狀態(tài)會出現(xiàn)紊亂或關閉不嚴的問題，這直接影響整機的工作狀態(tài)。

表5 不同彈簧在不同貯存時間的彈力值數(shù)據(jù)Tab.5 Elastic Value of Different Springs at Different Storage Times

f）密封件。

電液伺服機構上采用了多種尺寸密封件及相當數(shù)量種類的密封件，每種密封件因其膠料、使用環(huán)境的不同，其隨整機貯存期的加長而老化程度也不同，但均表現(xiàn)為密封性能下降，存在漏油漏氣問題。

國內(nèi)外對密封膠料已有較成熟的加速貯存方法，參考GJB92-86《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則》，通過高溫加速老化的材料性能，外推貯存溫度下的材料性能，獲取膠料和制品在長期貯存過程中材料性能退化規(guī)律，建立材料性能在不同老化應力水平下隨貯存時間的等效關系，以此確定密封件的貯存年限。通過在加速老化過程中分階段檢測橡膠材料性能參數(shù)，材料性能參數(shù)包括：壓縮永久變形、拉伸強度、扯斷伸長率、斷裂永久變形、硬度。發(fā)現(xiàn)上述的加速貯存試驗的結(jié)果與自然貯存結(jié)果基本一致。要注意的一點是，伺服機構在產(chǎn)品的貯存過程中，密封件同時接觸氮氣和紅油介質(zhì)，試驗應同時考慮2 種介質(zhì)環(huán)境。

4 貯存延壽措施及試驗驗證

在對伺服機構各組成元件及外購件的貯存研究中發(fā)現(xiàn)，部分元件存在著性能下降、超差和一些不可靠環(huán)節(jié)，這些都是影響產(chǎn)品整體性能可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，必須施加一定的返修措施加以彌補，才能合理、可靠地將伺服機構的貯存期延長。而有些元件如金屬殼體等，受環(huán)境因素影響較小，在長期貯存條件下仍可以使用，保留下來繼續(xù)使用，則會節(jié)約成本，縮短生產(chǎn)周期，也更有利于環(huán)保效益。

a）伺服電機。長期貯存的電機出現(xiàn)定子磁鋼脫粘，部分電樞出現(xiàn)換向器嚴重磨損、電樞表面粘接件開裂、電樞軸承擋直徑小于軸承孔等問題，因此電機的延壽措施為更換電刷、軸承、彈簧、定子，并檢查轉(zhuǎn)子和分流器，視情更換新品。

b）油泵。油泵應分解檢查，計量桿在柱塞中的間隙和桿在座中的間隙值；對轉(zhuǎn)子進行熒光探傷，確認轉(zhuǎn)子表面無裂紋，更換其上密封件、彈簧，推研機械密封動靜環(huán)摩擦副表面，及轉(zhuǎn)子和分油盤摩擦副表面，重新裝配后進行性能測試，測試合格即可使用。

c）伺服閥。對伺服閥的延壽措施，首先應復測伺服閥空載流量曲線和靜耗量曲線，篩選合格范圍內(nèi)的伺服閥產(chǎn)品，由于伺服閥上金屬零件屬于高精密機加零件，加工難度大，機加周期長，且長期貯存對金屬零件影響較小，所以在保證質(zhì)量的前提下，應盡量對伺服閥的金屬零件進行重復利用，但仍需用放大鏡觀察滑閥棱邊、殼體節(jié)流窗口、殼體主孔等部位，應無塌邊、缺損等缺陷。在將合格的金屬零件進行清洗后，更換磁鋼、閥芯等重新裝配和調(diào)試，經(jīng)測試合格即可。

d）各類活門?；铋T的閥體同樣屬于金屬零件，在長期貯存下經(jīng)外觀檢查合格可繼續(xù)使用，僅需更換活門的彈簧，重新配閥芯，復測活門的泄漏量和開啟關閉壓力即可。

基于可靠性和經(jīng)濟效益的雙重考慮，對上述4 個影響整機性能的元件落實延壽措施后，其他薄弱環(huán)節(jié)的元組件建議直接更換新品。完成上述延壽措施后對產(chǎn)品重新進行性能測試。從性能測試結(jié)果來看，經(jīng)過返修后的整機在線性度、定點速度、動態(tài)特性指標上均有較大的提升，且通過環(huán)境壽命試驗考核，驗證了貯存延壽措施的有效性。

5 結(jié)束語

通過對某型號電液伺服機構試驗數(shù)據(jù)分析，得到產(chǎn)品性能隨貯存時間變化的普遍規(guī)律和失效機理，并研究出針對性能變化普遍規(guī)律及個別情況的技術措施和實施程序，消除產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，確保伺服機構可靠性，且將返修后的元組件重新裝回整機進行測試，測試結(jié)果較返廠復測有較大改善。由此可知上述研究的延壽措施可合理地將伺服機構延壽使用，同時為電動液壓伺服機構性能變化規(guī)律的研究進行了有益的探索。另一方面，本文首次對貯存到期的電液伺服機構的各元組件長期貯存后的可靠性進行研究，通過試驗辨識出伺服機構上的薄弱環(huán)節(jié)，如：柱塞泵收口間隙變大、活門的細絲彈簧性能下降、伺服電機磁鋼脫膠等問題，對電液伺服機構上各元組件隨貯存時間的性能變化的認識有較大的提高。且為具有相似結(jié)構的電液伺服機構的應用和壽命評定提供了有效依據(jù)。