电液伺服阀在液压系统中的故障诊断及分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 5 ． 2 0 1 3 电液伺服阀在液压系统中的故障诊断及分析 李伟业 南京机电液压工程研究中心 南京机电液压工程研究中心重点试验室， 江苏 南京2 1 0 0 6 1 摘要 该文从 电液伺服阀的组成及工作原 理人 手 ， 分析 了电液伺服阀在液压系统中的故 障， 并给出了排除方法 ， 以便工程人员参考。 关键 词 电液伺服阀 ； 组成及工作原理 ； 故障排 除 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 4 3 0 3 Abs t r ac t s o l v e ． Ke y wor d s Th e D i a g no s i s a nd An a l y s i s o f t h e El e c t r o h y d r a l i c S e r v o v a l e s o n Hy d r a l i c S y s t e ms LI We i -y e N a n j i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e o f A i r c r a f t S y s t e ms ， t h e I mp o r t a n t L a b o r a t o r y o f N a n j i n g ， N a n j i n g 2 1 0 0 6 1 ， C h i n a S t a r t f r o m s e r v o v a l v e c o mp o n e n t s a n d w o r k i n g p r i n c i p l e， a n a l y z e t h e f a u l t i n h y d r a u l i c s y s t e m ， a n d g i v e t h e me t h o d t o e l e c t r o h y d r a l i c s e r v o v a l e s ； c o mp o n e n t s a n d wo r k i n g p r i n c i p l e ； d i a g n o s i s a n d e x c l u s i o n O 引言 电液伺服阀广泛应用于电液伺服系统中 ，用于电 液伺服系统 的位置 、 速度 、 加速度和力 的控制。它是将 电控制信 号转换成液压功率信号的关键元件 ，系统的 品质将直接受着伺服 阀性能的影响。电液伺服 阀在伺 服系统中出现故障时 ， 若能准确 、 快速地诊断出故障所 在 的部位和原因 ， 将对企业提高经济效益有重要意义。 1 伺服阀的组成及工作原理 伺服 阀由永磁力矩马达 、喷嘴挡板构成 的第一级 电液 转换与功 率放大 和第 二级滑 阀液压功率放 大组 成 。力矩马达由磁钢 、 上下导磁体 、 控制线 圈及将弹簧 管 、 反馈杆 、 挡板 、 衔铁组合在一起的衔铁组件组成。反 馈杆小球插在阀芯 中间的槽 内。喷嘴挡板级 由一个 回 油节流孔 、两个 固定节流孔和两个喷嘴挡板可变节流 孔组成。当给线圈输入正或负信号 电流时 ， 在力矩马达 的固定磁通和控制磁通相互作用下 。力矩马达将输 出 成 比例的正或负力矩 ， 挡板输出一定位移 。 从而使两个 可变节流孔液阻发生变化 ，喷嘴挡板级 向阀芯两端输 出相应的负载流量和负载压力 ，驱动阀芯 向相应 的方 向运动。阀芯运动将带动反馈杆运动 ， 产生反馈力矩反 馈到力矩马达上 。 直到反馈杆反馈力矩 、 喷嘴挡板 的液 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 7 作者简介 李伟业 1 9 7 8 一 ， 女 ， 青海西宁人 ， 工程师 ， 本 科 ， 主要研究方 向 为伺服阀产品设计。 压力矩和输入信号 电流产生的电磁力矩相平衡 时 。 阀 芯将停止运动。此时阀芯位移为 ，对应输出流量为 Q， 且阀芯位移或在负载压力为定值时阀的输出流量与 输入 电流信号成比例。阀的工作原理图见图 1 。 1 一 闽芯2 一 节流孔3 一 喷嘴4 一 衔铁5 一 线圈 6 一 挡板7 一 磁钢 8 一 导磁体9 一 弹簧管 l O 一 插头座 1 1 - 调整垫片 1 2 一 油滤 1 3 一 反馈杆 l 4 一 可拆卸油滤 l 5 一 第五供油 L 图 1 伺 服 阀 的工 作 原 理 图 2 伺服阀常见故障诊断及分析 2 ． 1 伺服阀输入控制信号而无流量输 出 伺服阀是液压伺服系统 的核心元件 。若在整个系 统 中油缸不动或慢慢爬行 ，则说明伺服阀没有流量输 出。具体原因有六种 a ． 线圈断路 ． b ． 线圈引线与插头焊 接处断开 ； c ． 无信号输入 ； d ． 两个线圈的极性相反 ； e ． 回 油节流孔堵塞 ； f 油滤堵塞 。具体分析如下。 43 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 O1 3年 第 0 5期 阀芯静 态力 平衡方 程 r KnA 8 K【 xv Kh Xv 式中 一喷嘴孔轴心线到衔铁组件旋转中心距离 ； 喷嘴挡板压力增益 ； 、 ， 阀芯端面积 ； 挡板转角 ； K 阀芯液动力刚度。 故障 a 、 b和 e是 因为输入力矩马达线圈的信号电 流为零 ；故障 d是 因为力矩马达两个线 圈因输入 的信 号 电流极性相反 。力矩 马达线圈的信号电流为零或输 入 的信号电流极性相反 ，均会使力矩马达线圈内没有 控制磁通 ． 因而不能使衔铁组件绕薄壁 中心旋转 ， 喷档 级不能输出相应的压力 K 和流量 来驱动阀芯 向相 应的方 向运动， 伺服阀无流量输出。故障 e是因为回油 节流孔堵塞后造成喷嘴挡板级两控制腔 内的压力相等， 阀芯两端的驱动力相等 ． 阀芯不能朝相应的方向运动而 输 出流量。 故障 f 是因为油滤部分堵塞后使进油压力P 降低 ， 喷嘴挡板级两控制腔内的压力 降低 ， 阀芯两端 的 驱动力不能克服阀芯的液动力 K 和反馈力 ， 因 而阀芯不能朝相应的方 向运动而输出流量 0。 2 ． 2伺服 阀仅 有一 个控 制 窗 口有 流量 输 出 在伺服系统中若作动筒 只朝一个方向运动 ，对 电 的控制信号无反应 ； 或者是液压马达快速旋转 ， 对 电的 控制信号无反应 时， 则说明控制元件伺服阀单 向输出。 故障原 因有三种 a ． 一个节流孔堵塞 ． b ． 一个喷嘴堵塞 e ． 阀芯卡住。具体分析如下。 伺服阀的喷嘴挡板级是 由一个回油节流孔 、 两个固 定节流孔和两个喷嘴挡板可变节流孔组成。 若右节流孔 d 完全堵塞 ， 则此控制腔 内的压力为 O MP a ， 而另一控 制腔内的压力为 p ， 2 ， 阀芯将 向右运动 ， 输 出一定的负 载压力p 和负载流量 。同理， 若右喷嘴孔d 0 完全堵 塞 ， 则此控制腔 内的压力为 P ， 而另一控制腔内的压力 为 p ／ 2 ， 阀芯将 向左运动， 输 出一定 的负载压力 P ． 和负 载流量 Q 。阀芯卡住是因为伺服阀的阀芯和阀套配套 间隙很小 ， 一般在 0 ． 0 3 ～ 0 ． 0 5 m m， 若系统油液不干净 ， 则 油液中的污染物容易卡在间隙内， 造成喷档级输出的控 制压力无法驱动阀芯向相应的方 向运动 ， 所以伺服阀只 有一腔输出流量 和压力P 。 2 ． 3伺服阀输 出流量减小 在伺服系统中若执行机构的速度减慢 ，则说 明伺 服阀的输出流量减小 。执行机构的速度和伺服阀的输 出流量成 比例 ， 流量 大 ， 则速度快 ； 流量小 ， 则速度慢 。 44 从 图 2的工作原理分析 ， 阀的油滤部分堵塞 ， 会使供油 压力 p 减小 ， 喷档级控制腔内的压力P ， 减小。当伺 服阀输入信号电流时 ，阀芯两端 的驱动力 比阀芯的反 馈力 和液动力 X 之和小 ， 阀芯的行程 减小 ， 输出流量 Q L 减小， 所以执行机构的速度减慢。 X p -- r O 广 ] 一 j 璺 。 ．p 1 H F 1 1 l ’ Q， ＼ ． 固定节流孔 固定节流孔 图 2伺 服 阀 喷嘴 挡 板 工 作 原 理 图 2 ． 4伺服 阀内泄漏 增大 伺服 阀在系统中内泄漏增大时能够引起系统性能 不稳定， 压力 、 流量的不正常。而且对于一个能源不太富 裕的系统 ， 将会造成系统能源的不足。由图 2原理图可 知 ， 伺服阀的内漏 由两部分组成 喷嘴挡板级的泄漏 和滑阀级的泄漏 Q 。喷嘴挡板级的泄漏是常值泄漏 ， 滑阀级的泄漏是峰值泄漏 。常值泄漏 与喷嘴的孑 L 径 d 、 喷档间隙 ， 节流孔的孔径 d n 和回油节流孔 的孔径 d 有关 ，喷嘴挡板级的结构参数已定时 ，泄漏p 为恒 值 。滑阀级的泄漏与阀芯和阀套的间隙有关 。间隙大 ， 泄漏大 ； 间隙小 ， 泄漏小。滑阀级 的泄漏还与系统 内油 液清洁程度密切有关 。若污染物较多时， 常造成阀芯工 作尖边的磨损 ，更严重时会造成 阀芯卡死而不能使 系 统正 常工作 。 2 ． 5伺服 阀不 受控并 有漏 油现 象 伺服阀在电液伺服 系统 中不受控并且漏油现象 。 这说明伺服 阀弹簧管破裂 ． 油液从弹簧管裂纹处流出。 弹簧管是伺服阀的核心零件 ， 其材料为高弹性合金钢 ， 管壁很薄 ， 一般在 0 ． 0 6 ～ 0 ． 0 8 m m。若力矩马达在交变信 号作用下 ， 弹簧管所受 的应力虽低于屈服极 限， 但是长 期反复后 ，经常在薄壁弹簧管大圆角处 出现裂纹 。另 外 ， 伺服阀出现谐振时 ， 也容易造成弹簧管有裂纹 。 2 ． 6伺服 阀工 作性 能不 稳定 伺服 阀在系统中工作时出现不稳定 ，这有可能是 力矩马达部分永久磁钢的工作不稳定 引起 。磁钢充磁 后 ， 要在退磁机上进行交流退磁 ． 只要外界干扰磁场不 大于交流退磁时的磁场强度 ．磁钢工作点就能稳定 地 工作在 回复线上 。另外 ， 磁钢材料本身矫顽力低 ， 在使 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ． 2 01 3 用过程 中严格禁止任何铁器接触永磁体 。以避免造成 永磁体局部退磁 。磁路 中磁通分布发生畸变而影 响阀 的性 能 。 2 _ 7 伺 服 阀有 啸叫现 象 在 电液伺服系统中， 若能听到刺耳的尖 叫声 ， 这说 明伺服阀有啸叫。 啸叫是一种 比较严重的故障现象。 啸 叫时力矩马达 的衔铁组件处在高频强迫振荡之 中， 弹 簧管往往产生疲劳破裂 。伺服阀发生啸叫的因素有 内 因 ， 也有外因。内因和伺服阀的结构参数有关 。 若能适 当的调整力矩马达固有频率 ，使力矩马达的固有频率 与特定场合下的外界压力脉动频率错开 。有可能消除 啸叫。外因和用户有关 ， 用户应能正确设计和安装油源 系统 ， 使油源压力脉动幅值降低到最低 ， 也会抑制伺服 阀发生啸叫。 2 ． 8伺 服 阀分 辨率 大 在 电液伺服系统中 ， 若系统 的响应慢 ， 且执行元件 爬行或不规则的振荡 ，则有可能是伺服阀的分辨率大 造成的。 伺服 阀分辨率大 ， 具体故障原因有两种 a ． 油滤 部分堵塞 ； b ． 阀芯摩擦力大。故障 a的具体原 因分析见 2 ． 3条 ， 在此不再多述。故障 b是 因为阀芯和阀套之间 的间隙很小 ，油液中的污染物进人间隙后增大了滑阀 级的摩擦力 ， 伺服阀的分辨率增大 ， 系统响应变慢 。 2 ． 9伺服 阀零 偏 大 在电液伺服系统 中， 若输入大 的电流信号 ， 系统作 动筒或马达仍然保持不动 ， 则说明伺服阀零偏大。具体 原因有三 a ． 一个节流孔堵塞 ． b ． 一个喷嘴堵塞 I c ． 油滤部 分堵塞。针对故障 a和 b ， 故障原因已在 2 ． 2中分析过 ， 在此不再重复。故障 c在 2 ． 3中也分析过 ， 也不再多述。 3 总结 在 电液伺服系统中 ，伺服阀对油液的污染度最敏 感 ， 尤其是喷嘴挡板结构式。因喷嘴和挡板之间的距离 仅有 0 ． 0 3 ～ 0 ． 0 5 mm； 阀芯和阀套之间的间隙仅有 0 ． 0 0 3 ～ 0 ． O 0 5 mm。无论污染物卡在喷嘴挡板处 ． 还是卡在 阀芯 和阀套处 ，均和造成伺服阀不能正常工作或工作性能 下降 。所以在电液伺服系统中， 工作液不清洁 ， 轻则影 响产品性能 、 缩短寿命 ； 重则使产品不能工作。使用者 应对系统工作液的清洁度应予特别重视 ，并在伺服阀 进 口前必须配置名义过滤度不低于 1 0 m的油滤。 4 说 明 针对 图 l结构式 的民用大流量伺服阀 ，在结构上 专 门设置 了三项特殊功能 可拆卸外置大油滤 、 外调零 机构和第五进油孔 ， 它们各 自的功能和用途简述如下。 1 伺服阀在使用中若 出现油滤堵塞 ， 用户可以先 将盖板拆卸 ， 用 M6的堵将其拔出， 拔出时用力均匀 ， 以 免损伤胶圈 ，用注射器和毛刷在洗涤汽油中清洗干净 后装入 。 2 外调零机构。当阀的零偏较大时。用户可 以在 压力 降为 7 MP a 下现场调零。 其原理是 稍微松开螺母 ， 转动偏心轴就能改变阀套的轴 向位置 ，而此时阀芯 的 轴 向位置不变 ， 故而改变了滑阀级 的机械零位 ， 即改变 了伺服阀的零偏。 调零方 向 顺时针方向旋转时 ， 高压油从负载窗 口 2输 出， 反之 ， 则从负载腔窗 口 1输出。 允许偏心轴转动 角度 为 4 0 。 。 3 第 五进油孔 的作用是伺服 阀的第一级 即喷嘴 挡板级 ， 和伺服 阀的功率级即滑阀级 。 各用不同的液压 源供油， 喷嘴挡板级的液压源由第五进油孔引入。因为 功率级输出流量变化较大时 ，往往导致液压源压力波 动 ， 特别是对功率不富裕的液压源尤为明显。如果伺服 阀的第一级液压放大器和第二级功率级滑阀共用一个 液压源 ， 这将导致第一级液压放大器的工作性 能变坏 ， 导致伺服 阀由于压力波动阀的零位变化较大 。动态 响 应降低 ，从 而使 系统 的控制精度和动态响应 变坏 ， 甚 至 ， 当液压源 的压力波动很大 ． 压力下降很低 时 。 伺服 阀不能正常工作 。用第五进油孔单独供压将避免上述 情况发生。第五进油孔所需液压源的功率是较小的， 其 液压源提供 的流量只需 3 - 4 L ／ m i n就可以了．但供油压 力 要平 稳 。 4 除上述特殊功能用户可 以调整伺 服阀性 能参 数外 ， 其余故障用户应将伺服阀返厂修理。因为很多用 户不 了解伺服阀的结构特点 ，在拆卸时很容易造成零 件 的损坏 ， 例如有的用户强行将阀芯从阀套 内取出， 造 成反馈杆小球被切断 ，这样造成伺服阀关键零件的损 坏 ， 而且返厂修理时费用很高 ， 也很费时间。 参 考 文 献 【 1 】 田源道． 电液伺服 阀技术[ M】 ． 北京 航空工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】 雷天觉． 液压工程手册[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 1 ． 【 3 】 王益群 ， 高殿荣． 液压工程师手册[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 011 ． [ 4 】 H ． E梅 里特 ． 液压控 制系 统【 M】 ． 陈燕庆 ， 译 ． 北京 科学 出版 社 ． 1 9 7 6 ． 【 5 】 肖其新． 高低温对 电液伺服阀性 能影 响【 J 】 ． 机械工程 师， 2 0 0 8 ， 1 0 ． 【 6 】 钱伟春 ， 等． 多轴控制 系统的液压伺 服系统的开发 和应用研 究[ J 1 ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 ， 1 0 2 1 2 4 ． 45