CN109505825A - 一种空载流量特性模拟退化的试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空载流量特性模拟退化的试验系统及试验方法，该系统中，油箱、泵、被测伺服阀依次通过管路连接，被测伺服阀的第一控制油口通过第一截止阀与负载部件连接，负载部件与被测伺服阀连接；被测伺服阀的第二控制油口通过第二截止阀与负载部件连接，被测伺服阀的第一控制油口、第三截止阀、流量计以及X‐Y记录仪依次连接，被测伺服阀的第二控制油口、第四截止阀、流量计以及X‐Y记录仪依次连接，自动信号发生器与伺服阀线圈连接。通过设计空载流量特性模拟退化的试验系统，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系。

Description

一种空载流量特性模拟退化的试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及双喷嘴挡板电液伺服阀技术领域，尤其涉及一种空载流量特性模拟退化的试验系统及试验方法。

背景技术

双喷嘴挡板力反馈式电液伺服阀具有线性度好、动态响应快、压力灵敏度高、阀芯基本处于浮动不易卡阻、温度和压力零漂小等优点，适合在航空航天及一般工业用的高精度电液位置伺服、速度伺服；双喷嘴挡板力反馈式两级电液伺服阀弹簧管下端小球在使用过程中容易发生磨损,导致空载流量特性变坏,严重时可引起伺服阀误动作；

由于缺少完善的数学模型，使力矩马达的设计仍采用经验的方式设计，没有系统的理论指导；此外现有伺服阀的整体动力学理论模型与基于机理的模型仿真结果以及实验结果存在较大的误差。因此，对两级力反馈喷嘴挡板伺服阀的整体动力学模型进行研究，对于指导喷嘴挡板伺服阀设计以及完善其整体数学模型具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种空载流量特性模拟退化的试验系统及试验方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其包括：油箱、泵、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、流量计、自动信号发生器、负载部件、被测伺服阀、伺服阀线圈以及X‐Y记录仪，所述油箱、所述泵、所述被测伺服阀依次通过管路连接，所述被测伺服阀的第一控制油口通过所述第一截止阀与所述负载部件连接，所述负载部件与所述被测伺服阀连接；所述被测伺服阀的第二控制油口通过所述第二截止阀与所述负载部件连接，所述被测伺服阀的第一控制油口、第三截止阀、所述流量计以及所述X‐Y记录仪依次连接，所述被测伺服阀的第二控制油口、第四截止阀、所述流量计以及所述X‐Y记录仪依次连接，所述自动信号发生器与所述伺服阀线圈连接。

本发明的有益效果是：通过设计空载流量特性模拟退化的试验系统，忽略了喷嘴挡板的液压力矩，也忽略了力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态环节，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系，便于用户基于此而得出空载流量特性曲线跳变量随小球磨损深度线性增加的规律。

此外，本发明还提供了一种空载流量特性模拟退化的试验方法，所述试验方法基于如上所述的空载流量特性模拟退化的试验系统，所述试验方法包括：

步骤一，打开第一截止阀以及第二截止阀，关闭第三截止阀以及第四截止阀；

步骤二，调整自动信号发生器，以驱动负载部件以及被测伺服阀进行运动；

步骤三，当被测伺服阀完成预设次数的运动时，关闭所述第一截止阀以及所述第二截止阀，打开所述第三截止阀以及所述第四截止阀；

步骤四，将供油压力调整为额定压力；

步骤五，调整X‐Y记录仪的放大倍数以及零位；

步骤六，连续输入预设频率的三角波信号；

步骤七，通过所述X‐Y记录仪读取空载流量特性曲线的跳变量；

重复步骤一至步骤七，直至跳变量到达给定的退化百分比或者到达总试验时间为止。

本发明的有益效果是：通过设计空载流量特性模拟退化的试验方法，忽略了喷嘴挡板的液压力矩，也忽略了力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态环节，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系，便于用户基于此而得出空载流量特性曲线跳变量随小球磨损深度线性增加的规律。

附图说明

图1为本发明实施例提供的试验系统的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的试验方法的示意性流程图。

图3为本发明实施例提供的试验系统的示意性模型。

图4为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之一。

图5为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之二。

图6为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之三。

图7为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之四。

1‐油箱；2‐溢流阀；3‐第一压力表；4‐温度计；5‐泵；6‐第一过滤器；7‐第二压力表；8‐第三压力表；9‐第四压力表；10‐第二过滤器；11‐冷却器；12‐负载部件；13‐第一截止阀；14‐第二截止阀；15‐第三截止阀；16‐第四截止阀；17‐流量计；18‐手动控制器；19‐自动信号发生器；20‐直流放大器；21‐伺服阀线圈；22‐电流表；23‐取样电阻；24‐X‐Y记录仪；25‐被测伺服阀。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图7所示，图1为本发明实施例提供的试验系统的结构示意图。图2为本发明实施例提供的试验方法的示意性流程图。图3为本发明实施例提供的试验系统的示意性模型。图4为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之一。图5为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之二。图6为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之三。图7为本发明实施例提供的空载流量特性曲线图之四。

本发明提供了一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其包括：油箱1、泵5、第一截止阀13、第二截止阀14、第三截止阀15、第四截止阀16、流量计17、自动信号发生器19、负载部件12、被测伺服阀25、伺服阀线圈21以及X‐Y记录仪24，所述油箱1、所述泵5、所述被测伺服阀25依次通过管路连接，所述被测伺服阀25的第一控制油口通过所述第一截止阀13与所述负载部件12连接，所述负载部件12与所述被测伺服阀25连接；所述被测伺服阀25的第二控制油口通过所述第二截止阀14与所述负载部件12连接，所述被测伺服阀25的第一控制油口、第三截止阀15、所述流量计17以及所述X‐Y记录仪24依次连接，所述被测伺服阀25的第二控制油口、第四截止阀16、所述流量计17以及所述X‐Y记录仪24依次连接，所述自动信号发生器19与所述伺服阀线圈21连接。

本发明的有益效果是：通过设计空载流量特性模拟退化的试验系统，忽略了喷嘴挡板的液压力矩，也忽略了力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态环节，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系，便于用户基于此而得出空载流量特性曲线跳变量随小球磨损深度线性增加的规律。

本文采用理论推导、仿真和实验相结合的研究方法，对伺服阀力矩马达的小球进行了研究。将导磁元件磁阻、永磁体磁阻以及永磁体的漏磁考虑在内，利用基尔霍夫定律对伺服阀力矩马达进行了磁路分析与电磁力矩的推导，得出了力矩马达输出电磁力矩线性化的表达式，并对磁弹簧刚度和电磁力矩系数的计算公式进行了修正，分析了导磁元件磁阻和永磁体磁阻对伺服阀力矩马达性能的影响。并采用AMESim对伺服阀力矩马达进行了建模仿真研究，以及采用MOOG：J761‐003伺服阀的力矩马达进行了实验研究，验证了所推导伺服阀力矩马达模型的有效性；通过上述对伺服阀力矩马达数学模型进行研究后，将衔铁挡板组件的运动当做一个二自由度运动系统，并将挡板处的压力反馈以及滑阀的动态考虑在内，利用现代控制理论的方法对两级力反馈喷嘴挡板伺服阀进行数学模型进行了研究，得出了其整体动力学模型，并采用Matlab对两级力反馈喷嘴挡板伺服阀进行机理建模，将其仿真结果与AMESim模型仿真结果进行比较，验证了所推导两级力反馈喷嘴挡板伺服阀整体理论模型的有效性。

对小球磨损引起的空载流量特性曲线变化问题进行了相应的理论和仿真分析；双喷嘴挡板伺服阀进行试验,借计算机技术对伺服阀测试数据进行状态特征信号提取、征兆提取、状态识别和精确判读，分别得出了小球轻度、中度和严重磨损情况下,空载流量特性曲线的跳变量；针对目前国内外鲜有报道伺服阀加速退化试验的现状；通过在简化的伺服阀自控模型基础上,加入小球磨损导致的非线性环节,定性仿真小球磨损深度和流量跳变的关系,并给出“磨损深度‐流量跳变”关系曲线；最后依据现有伺服阀标准自行设计了一套可用于研究小球磨损导致的空载流量特性退化的加速退化试验回路，并分析了进行伺服阀加速退化试验的要点。

1、被测伺服阀主要由力矩马达、双喷嘴挡板先导级阀和四凸肩的功率级滑阀部分组成，弹簧管从衔铁挡板组件中伸出,其下端球头插入主阀芯中间的小槽内，构成阀芯对力矩马达的反馈，当线圈未输入电信号时,衔铁、挡板和主阀芯都处于中位，液阻桥路平衡；当线圈通入电流后,在衔铁两端产生磁力，使衔铁克服弹簧管的弹性反作用力而偏转一个角度；挡板随衔铁的偏转发生挠曲,造成两喷嘴与挡板间距不等,一个变大,一个变小,进而导致两喷嘴后侧的压力不相等。它们作用在主阀芯的左右端面，使主阀芯向相应的方向移动一小段距离；弹簧管下端球头随主阀芯移动,对衔铁组件施加一个反力矩,并反馈到力矩马达,结果使得滑阀两端压差减少。当反馈杆反馈力矩、喷嘴挡板的液压力矩和输入电流信号产生的电磁力矩相平衡时，阀芯停止运动。此时阀芯位移为Xv,对应输出流量为q，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；

2、目前伺服阀技术难点可分为小球、主阀套密封、主阀芯控制窗口棱边、阀芯与阀套配合间隙，其中使用频度最高的是小球与主阀芯；

3、小球分析在实际使用中,小球的使用情况可从空载流量特性曲线中很明确地反映出来，对于零开口伺服阀来说,在性能正常的状态下，球左右两侧与配合槽不存在间隙，构成线性环节；当小球配合量达到一定程度后，小球左右两侧与配合槽就存在间隙；该间隙将使弹簧管偏转角和阀芯初始位移增大；在定性分析时，小球如不对称引起的阀芯初始位移增大等效为无磨损情况下输入电流的增大；

理论分析表明，在空载流量特性曲线上可以看到由小球不对称导致的流量跳变，而实测情况也如此；因此在实际测试中，小球制造过程中可以用流量增益的突跳量来判断；

4、基于自动控制模型仿真分析双喷嘴挡板电液伺服阀的负载流量方程为ql＝CdWXv1ρ(ps‐pl)，其中ql为负载流量；Cd为流量系数；W为滑阀的面积梯度；Xv为滑阀位移；ρ为液体密度；ps为供油压力；pl为负载压力；令负载压力为零，即可得空载流量特性方程；由于喷嘴挡板的液压力矩相对反馈杆反馈力矩较小，故可在定性分析中忽略；本申请用MATLAB的simulink进行定性仿真分析，以控制电流为输入，空载流量为输出，经过拉氏变换，得双喷嘴挡板伺服阀的自动控制模型如图3所示。

5、其中，kt为力矩马达的力矩常数，kmf为力矩马达综合刚度，ωmf为力矩马达固有频率，ζmf为力矩马达机械阻尼，kqp为喷嘴挡板阀增益，Av为阀芯端面积，r为弹簧管中心到喷嘴中心距离，b为小球中心到喷嘴中心距离，kf为反馈杆刚度；选取国内一种典型的双喷嘴挡板力反馈伺服阀，通过精密检测得到其结构参数见表1；

表1

6、原来的ic变为ic+sign(ic)·δ。其中，sign为符号函数，δ为小球单边小球深度，sign(ic)·δ即为小球不对称引起的“附加电流”；当小球进加工不好时，其空载流量特性曲线仿真结果如图5所示；当磨损严重时，其空载流量特性曲线仿真结果如图6所示；由图5和图6可以看到，小球的间隙越大，空载流量特性曲线上的跳变量就越大；为此在仿真过程中，人为地从小到大修改给定量(表征伺服阀实际使用中的情况)并测其空载流量特性曲线，把获得的“对称量‐跳变量”数据对利用MATLAB进行曲线拟合，结果如图7所示；图4合格小球的空载流量特性曲线图5含非线性环节的仿真图，伺服阀在实际工作中，可给定小球间隙作为失效判据，而由上述仿真结果可知，小球间隙大小可由空载流量特性曲线的跳变量表征；因此，在实际试验中，可通过测量跳变量的大小，反推小球的实际情况。

7、加速退化试验研究小球属于表面接触疲劳磨损，根据摩擦磨损理论，其表面材料存在不可逆的损失过程。其磨损情况与两接触表面的摩擦运动速度、压力、粗糙程度、材料性能有关。典型的疲劳磨损计算公式如下，r＝dhdtr＝kpm v，其中，r为磨损速度,h为摩擦副线磨损量，t为磨损时间，k为一定工况下的耐磨系数，m为系数1‐3，n为系数1‐3,p为摩擦表面上的压力，v为摩擦表面上的相对速度；从以上公式看出,可选择摩擦表面上的相对速度作为加速应力；由于伺服阀在实际工作中是间歇工作的，因此在加速试验中，可通过加大输入电流的频率，缩短工作的间歇时间，从而等效于加大在时间域上的平均速度；设伺服阀的实际工作频率为f1，每次工作的行程为s1，在加速退化试验中，其工作频率为f2，每次的工作行程为s2，则实际工作和加速退化试验中的平均速度分别为f1×s1和f2×s2；保持s1和s2相等,则频率的比值即为平均速度的比值；由上述仿真和讨论，设计如图1所示的加速空载流量特性加速退化试验回路17退化试验回路，其思路要点为：1)以输入电流频率为加速应力，2)采取恒定应力施加方式，应力水平数为3‐4(由于频率没有成熟的加速模型，故采用多项式拟合加速模型，可拟合到k‐1次)，3)以空载流量特性曲线跳变量作为性能退化量；4)采用基于性能退化量分布的加速退化试验方法进行数据处理；

进一步地，还包括：第三压力表8以及第四压力表9，所述第三压力表8设置在所述第一控制油口与所述第一截止阀13之间，所述第四压力表9设置在所述第二控制油口与所述第二截止阀14之间。

进一步地，还包括：手动控制器18、双向开关、直流放大器20、电流表22以及取样电阻23，所述直流放大器20的输入端通过双向开关分别与所述手动控制器18以及所述自动信号发生器19连接，所述直流放大器20的输出端与所述伺服阀线圈21连接，所述电流表22以及所述取样电阻23均设置在被测伺服阀25与所述X‐Y记录仪24之间。

进一步地，还包括：溢流阀2、第一压力表3以及温度计4，所述溢流阀2一端与所述泵5的输出端连接，所述溢流阀2的另一端与所述油箱1连接，所述第一压力表3以及所述温度计4分别设置在所述油箱1与所述泵5之间。

进一步地，还包括：第一过滤器6以及第二压力表7，所述第一过滤器6以及所述第二压力表7分别设置在所述泵5与所述被测伺服阀25之间。

进一步地，还包括：第二过滤器10以及冷却器11，所述被测伺服阀25的回油口与所述第二过滤器10和所述冷却器11依次连接。

此外，如图2所示，本发明还提供了一种空载流量特性模拟退化的试验方法，所述试验方法基于上述任意一项所述的空载流量特性模拟退化的试验系统，所述试验方法包括：

步骤一，打开第一截止阀以及第二截止阀，关闭第三截止阀以及第四截止阀；

步骤二，调整自动信号发生器，以驱动负载部件以及被测伺服阀进行运动；

步骤三，当被测伺服阀完成预设次数的运动时，关闭所述第一截止阀以及所述第二截止阀，打开所述第三截止阀以及所述第四截止阀；

步骤四，将供油压力调整为额定压力；

步骤五，调整X‐Y记录仪的放大倍数以及零位；

步骤六，连续输入预设频率的三角波信号；

步骤七，通过所述X‐Y记录仪读取空载流量特性曲线的跳变量；

重复步骤一至步骤七，直至跳变量到达给定的退化百分比或者到达总试验时间为止。

本发明的有益效果是：通过设计空载流量特性模拟退化的试验方法，忽略了喷嘴挡板的液压力矩，也忽略了力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态环节，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系，便于用户基于此而得出空载流量特性曲线跳变量随小球磨损深度线性增加的规律。

1)打开第一截止阀以及第二截止阀，关闭第三截止阀以及第四截止阀，调整自动信号发生器19，使其输入某一频率正弦电流，在此输入下驱动负载来回运动；2)以伺服阀动作106次作为测量间隔；3)关闭第一截止阀以及第二截止阀，打开第三截止阀以及第四截止阀，并将供油压力调整为额定压力Pn；4)调整好记录仪的放大倍数和零位，连续输入频率，为0.01‐0.02Hz，幅值为±In的三角波信号；5)记录完整的循环，即空载流量特性曲线，从中可读出空载流量特性曲线的跳变量；6)重复步骤1)‐5)，直到跳变量到达给定的退化百分比或者到达总试验时间为止；

进一步地，所述调整自动信号发生器，具体为调整自动信号发生器的频率，使自动信号发生器输出固定频率的正弦电流。

进一步地，所述预设次数为106次。

进一步地，所述预设频率为0.01‐0.02Hz。

1)双喷嘴挡板电液伺服阀在实际使用过程中容易出现小球磨损，导致空载流量特性曲线的跳变；2)本申请的自控模型忽略了喷嘴挡板的液压力矩，也忽略了力矩马达控制线圈的动态和滑阀的动态环节，在简化的伺服阀自控模型基础上加入小球磨损引起的非线性环节，利用仿真方式定性分析了磨损量和空载流量特性曲线跳变量的关系，得出空载流量特性曲线跳变量随小球磨损深度线性增加的规律；

仿真结果与实测结果有相同的变化趋势；3)本申请根据主要介绍小球对称量‐跳变量仿真结果，结合现有伺服阀的试验方法和加速退化试验技术，对伺服阀的加速应力、应力施加方式和性能退化量等进行了探究，并自行设计了一个双喷嘴挡板电液伺服阀小球磨损加速退化试验回路，在缺乏伺服阀加速退化资料的现状下，做了一些有益的探索。

基于小球制造的双喷嘴挡板两级电液伺服阀加速退化试验研究，双喷嘴挡板力反馈式两级电液伺服阀在航空航天等领域被广泛使用，其力反馈环节小球在实际使用过程中容易发生的相关问题，导致空载流量特性变坏，本申请利用simulink，在简化的伺服阀自动控制模型基础上，加入小球因制作过程中精度导致的非线性环节，定性分析了小球圆度和流量跳变之间的关系；依据上述结果,在现有伺服阀试验标准基础上，设计了可用于进行小球加速退化试验研究的系统,并对其试验方法进行了研究；双喷嘴挡板伺服阀，小球对称性，空载流量特性，加速退化过程等相关问题描述。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，包括：油箱、泵、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、流量计、自动信号发生器、负载部件、被测伺服阀、伺服阀线圈以及X‐Y记录仪，

所述油箱、所述泵、所述被测伺服阀依次通过管路连接，所述被测伺服阀的第一控制油口通过所述第一截止阀与所述负载部件连接，所述负载部件与所述被测伺服阀连接；

所述被测伺服阀的第二控制油口通过所述第二截止阀与所述负载部件连接，所述被测伺服阀的第一控制油口、第三截止阀、所述流量计以及所述X‐Y记录仪依次连接，所述被测伺服阀的第二控制油口、第四截止阀、所述流量计以及所述X‐Y记录仪依次连接，所述自动信号发生器与所述伺服阀线圈连接。

2.根据权利要求1所述的一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，还包括：第三压力表以及第四压力表，所述第三压力表设置在所述第一控制油口与所述第一截止阀之间，所述第四压力表设置在所述第二控制油口与所述第二截止阀之间。

3.根据权利要求1所述的一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，还包括：手动控制器、双向开关、直流放大器、电流表以及取样电阻，所述直流放大器的输入端通过双向开关分别与所述手动控制器以及所述自动信号发生器连接，所述直流放大器的输出端与所述伺服阀线圈连接，所述电流表以及所述取样电阻均设置在伺服阀与所述X‐Y记录仪之间。

4.根据权利要求1所述的一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，还包括：溢流阀、第一压力表以及温度计，所述溢流阀一端与所述泵的输出端连接，所述溢流阀的另一端与所述油箱连接，所述第一压力表以及所述温度计分别设置在所述油箱与所述泵之间。

5.根据权利要求1所述的一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，还包括：第一过滤器以及第二压力表，所述第一过滤器以及所述第二压力表分别设置在所述泵与所述被测伺服阀之间。

6.根据权利要求1所述的一种空载流量特性模拟退化的试验系统，其特征在于，还包括：第二过滤器以及冷却器，所述被测伺服阀的回油口与所述第二过滤器和所述冷却器依次连接。

7.一种空载流量特性模拟退化的试验方法，其特征在于，所述试验方法基于权利要求1‐6任意一项所述的空载流量特性模拟退化的试验系统，所述试验方法包括：

步骤一，打开第一截止阀以及第二截止阀，关闭第三截止阀以及第四截止阀；

步骤二，调整自动信号发生器，以驱动负载部件以及被测伺服阀进行运动；

步骤三，当被测伺服阀完成预设次数的运动时，关闭所述第一截止阀以及所述第二截止阀，打开所述第三截止阀以及所述第四截止阀；

步骤四，将供油压力调整为额定压力；

步骤五，调整X‐Y记录仪的放大倍数以及零位；

步骤六，连续输入预设频率的三角波信号；

步骤七，通过所述X‐Y记录仪读取空载流量特性曲线的跳变量；

步骤八，重复步骤一至步骤七，直至跳变量到达给定的退化百分比或者到达总试验时间为止。

8.根据权利要求7所述的一种空载流量特性模拟退化的试验方法，其特征在于，所述调整自动信号发生器，具体为调整自动信号发生器的频率，使自动信号发生器输出固定频率的正弦电流。

9.根据权利要求7所述的一种空载流量特性模拟退化的试验方法，其特征在于，所述预设次数为106次。

10.根据权利要求7所述的一种空载流量特性模拟退化的试验方法，其特征在于，所述预设频率为0.01‐0.02Hz。