液壓伺服作動系統啟動時抖動問題的研究

王宏斌

（慶安集團有限公司，陜西西安 710077）

某液壓伺服作動系統進行空載試驗時，在閉環、空載狀態下，給產品雙通道上電，輸入0VDC 指令后,系統出現抖動現象，抖動持續約50ms 后停止。故障發生后，將油液溫度由高溫80±5℃降至常溫20±5℃，然后進行空載試驗：閉環狀態下，輸入0VDC 指令信號,電磁閥上電后，產品輸出端出現啟動抖動現象，監控產品傳感器反饋電壓在-0.13Vdc～+0.07Vdc（抖動幅值0.2V）之間抖動衰減，1 個抖動循環后停止，整個過程持續約50s。

1 液壓伺服作動系統工作原理

液壓伺服作動系統工作原理：輔助控制器發出指令信號后，PDU的主控電磁閥通電接通供壓，制動器解除制動。同時PDU 的伺服閥根據指令信號，向液壓馬達提供液壓功率。液壓液壓馬達將液壓功率轉化為機械功率并經齒輪箱輸出。各傳動軸將PDU 輸出的機械功率傳遞給GRA，GRA 在機械功率驅動下帶工作。工作到位后，運動位置由PDU 上角位移傳感器反饋給輔助控制器，形成閉環控制系統，可按指令信號停止在要求位置。其功能框圖如圖1 所示。

圖1 液壓伺服作動系統功能框圖

PDU 液壓驅動裝置產品主要由液壓馬達、控制閥塊、制動器、電液伺服閥、齒輪箱、角位移傳感器組成，其工作原理為：輔助控制器發出指令信號后，PDU 的電磁閥通電接通供油，制動器解除制動。同時，PDU 的電液伺服閥根據指令信號，向液壓馬達提供液壓功率，液壓馬達將液壓功率轉化為機械功率并經齒輪箱輸出。產品運動過程中，PDU 上的角位移傳感器將產品對應的偏轉角度反饋給輔助控制器，形成閉環控制系統，可按指令信號停止在要求位置。電液伺服閥根據指令信號控制產品運轉速度，在行程末端可靠運動至要求位置。

2 啟動抖動因素分析

根據液壓伺服作動系統及PDU 產品工作原理及抖動情況，分析認為導致抖動的因素包括：油液溫度變化、產品慣量及負載、系統匹配裕度、供油壓力沖擊、伺服閥穩定性等。本次研究逐一進行分析、驗證，具體如下：

2.1 油液溫度變化的影響

通過在出現啟動抖動的不同產品上進行常溫和高溫油液下測試對比，發現油液溫度僅對啟動抖動的量值有影響，但不是造成啟動抖動的原因：在常溫油液下出現啟動抖動的產品，在高溫油液下也會出現啟動抖動。常溫油液下測試，抖動幅值約0.1V～0.35V，抖動循環次數一般在0.5～2 次，抖動時間從4s～50s，在高溫油液下測試，抖動幅值約0.2V～0.4V，抖動循環次數約2～27 次不等，抖動時間從4s～40s；詳見表1。

表1 常溫和高溫油液（80±5℃）下抖動情況

從數據上看，大部分高溫油液下抖動幅值和次數較常溫油液下多，而持續時間較常溫下短。

2.2 產品慣量及負載的影響

選取編號為001#的PDU 和編號為001#的系統進行測試。通過對PDU 單獨空載測試與系統聯試并帶上艙門慣量以及增加外部載荷試驗對比，發現帶上慣量和載荷后，產品啟動抖動的幅值增加了36%～136%，次數減少了50%～62.5%，時間增加了54%～85%，詳細數據見表2。

表2 慣量及載荷影響數據

從數據上看，外部載荷以及傳動軸、GRA、負載等慣量環節，會對抖動的幅值、次數和時間有影響，但不是引起抖動的直接因素。

2.3 系統匹配裕度的影響

對液壓伺服作動系統進行仿真分析，得到系統的幅頻曲線和相頻曲線，如圖2 所示。系統頻帶寬度約為2.35Hz（對應-3dB時），且頻帶寬度內成收斂曲線，說明系統穩定；同時從相頻曲線上反映相位滯后約為28.4°（對應1Hz 時），說明系統跟隨性好。

圖2 液壓伺服作動系統動態仿真

通過對產品仿真分析，發現產品頻帶寬度大，響應速度快，穩定性高，說明與系統匹配關系不大。

2.4 供油壓力沖擊的影響

選取編號為002#的PDU 的試驗件進行測試，根據產品試驗時，發現在電磁閥啟動瞬間會在伺服閥的P 口產生壓力沖擊，峰值約28～30MPa。該現象每臺產品均會出現，且峰值壓力與額定壓力相差的量值不大，屬于正常現象。

另外，通過分別在28、25、20、15MPa 不同的進油壓力下進行測試，發現整體上壓力越小，啟動抖動幅值、次數、時間趨勢上減小，其中從28MPa～15MPa，啟動抖動幅值平均減小了47%，次數平均減少了50%，時間平均減少了58%，數據見表3。從數據分析，壓力越低，產品啟動抖動幅值、次數和時間均有減少，但不會消除，排除壓力沖擊對產品啟動抖動的影響。

表3 不同壓力下抖動情況

2.5 伺服閥穩定性的影響

將出現啟動抖動的產品配套的伺服閥，裝配到其它產品上進行測試，發現仍出現啟動抖動的現象，且幅值，循環次數，持續時間基本一致，數據見表4。

表4 配裝不同基體對抖動的影響

通過更換未出現啟動抖動的產品配套的電液伺服閥，該現象可消除。說明產品啟動抖動問題主要與伺服閥有關。

為了進一步分析伺服閥的參數對系統抖動的影響，對近43 臺伺服閥數據進行統計，發現：高溫啟動抖動主要與伺服閥的滑閥間隙和內漏有一定的相關性，伺服閥其它性能指標未發現有明顯關系。

根據表5 統計，得到以下結論：

表5 伺服閥數據統計

結論1：滑閥間隙越大，合格率越高，間隙接近4μm 的閥，合格率達到89%。

表2 中滑閥間隙在2μm～2.5μm的閥共4 臺，合格率50%；滑閥間隙在3μm～3.5μm 的閥共12 臺，合格率50%；滑閥間隙在4μm 的閥共27 臺，合格率89%。

結論2：內漏量值大于0.81L/min 時，伺服閥的合格率較高，不合格伺服閥也能排除60%。

結論3：滑閥間隙為4μm，內漏量＞0.81L/min，合格率將達到100%。

從表5 中篩選出滑閥間隙為4μm 的25 臺伺服閥，其中內漏量值＞0.81L/min 的伺服閥在隨產品測試過程中均未出現高溫啟動抖動現象。

對3 臺出現啟動抖動的伺服閥，選取1801063001G 的這臺伺服閥分解檢查，發現滑閥間隙有所減小，為3μm；在其它參數不變的前提下，通過將該臺閥的滑閥間隙返修至6μm 后重新配套產品測試，未再出現啟動抖動現象，進一步說明滑閥間隙對啟動抖動的直接影響。

為進一步驗證滑閥間隙與產品啟動抖動的關系，選取一臺高溫油液下啟動抖動的產品配套的伺服閥（1707063035G），將滑閥間隙進行增大后隨產品重新進行高溫油液下啟動抖動檢查，發現故障現象消除。同時選取兩臺試驗件，將滑閥間隙調整至6μm，隨產品進行高溫啟動抖動檢查，測試結果正常，未出現啟動抖動現象。對采取上述措施的20 臺伺服閥進行統計，控制滑閥間隙上限4μm，內漏＞0.81L/min 的伺服閥，合格率達到100%。

3 結論

根據仿真及試驗數據分析可知：

3.1 伺服閥滑閥間隙和內漏是造成產品啟動抖動的主要因素，通過控制伺服閥滑閥間隙和內漏，可有有效解決液壓伺服作動系統啟動時抖動問題。

3.2 油液溫度變化和產品慣量及負載不是引起啟動抖動的直接因素，但會對抖動的幅值、次數和時間有影響。

3.3 系統匹配裕度、供油壓力沖擊與啟動抖動無關。