王指國(guó)，郭洪根，袁 勇，吉秋平，童章順

(中國(guó)航天科工集團(tuán)伺服技術(shù)研究所，南京 210006)

某型液壓伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)特性分析

王指國(guó)，郭洪根，袁 勇，吉秋平，童章順

(中國(guó)航天科工集團(tuán)伺服技術(shù)研究所，南京 210006)

對(duì)某型伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量大的原因進(jìn)行分析，確認(rèn)為油泵、高壓管路、溢流閥之間存在頻率特性的耦合現(xiàn)象，激發(fā)溢流閥發(fā)生諧振。針對(duì)頻率耦合的特性，提出在高壓管路上安裝節(jié)流塊的措施，試驗(yàn)驗(yàn)證表明方案簡(jiǎn)單有效，系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量由改進(jìn)前的4MPa降低至0.8MPa左右。

液壓伺服機(jī)構(gòu)；壓力脈動(dòng)；頻率耦合

0 引言

某型伺服機(jī)構(gòu)為飛行器主動(dòng)段飛行過程中推力矢量控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。伺服機(jī)構(gòu)的總體方案采用雙通道共能源的“燃?xì)?渦輪+柱塞泵” 式的液壓伺服機(jī)構(gòu)方案[1]。整個(gè)系統(tǒng)由控制回路和能源回路兩部分組成，控制回路由作動(dòng)器、伺服閥、反饋電位器等構(gòu)成；能源回路由燃?xì)獍l(fā)生器、燃?xì)鉁u輪、減速器、油泵、溢流閥、油箱、大殼體和高、低壓軟管構(gòu)成，其中油箱、溢流閥和部分高、低管路高度集成在大殼體上，伺服機(jī)構(gòu)組成如圖1所示。在伺服機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)試驗(yàn)中，需要進(jìn)行以地面液壓能源供油狀態(tài)下的性能測(cè)試、以中頻電機(jī)為動(dòng)力源狀態(tài)下的性能測(cè)試(簡(jiǎn)稱中頻電機(jī)冷試)、以冷氣為動(dòng)力源狀態(tài)下的性能測(cè)試(簡(jiǎn)稱冷氣冷試)和燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火工作狀態(tài)下的性能測(cè)試(簡(jiǎn)稱熱試)三類試驗(yàn)項(xiàng)目。

1—燃?xì)獍l(fā)生器；2—壓力傳感器；3—渦輪；4—減速器；5—油泵；6—單向閥；7—高壓快速接頭；8—高壓過濾器；9—溢流閥；10—低壓快速接頭；11—低壓傳感器；12—放氣閥；13—油箱；14—低壓安全閥；15—高壓傳感器；16—伺服閥；17—壓差傳感器；18—旁通閥；19—放氣閥；20—反饋電位器；21—零位鎖；22—作動(dòng)器；23—高壓軟管；24—低壓軟管；25—二級(jí)控制器圖1 伺服機(jī)構(gòu)組成圖Fig.1 The structure of electro-hydraulic servomechanisms

伺服機(jī)構(gòu)在地面液壓能源供油狀態(tài)下工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)其配套溢流閥存在偶然的嘯叫現(xiàn)象，當(dāng)溢流閥工作正常時(shí)，集成在大殼體上的高壓傳感器測(cè)得系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量不大于0.1MPa；當(dāng)溢流閥發(fā)生嘯叫時(shí)，系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量為4MPa。整機(jī)在中頻電機(jī)冷試、冷氣冷試和熱試狀態(tài)下工作時(shí)，溢流閥存在嚴(yán)重的嘯叫問題，整機(jī)工作全程中都伴隨溢流閥的嘯叫聲，此時(shí)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量達(dá)4MPa。冷氣冷試狀態(tài)下系統(tǒng)壓力曲線如圖2所示。

圖2 冷試狀態(tài)下系統(tǒng)的壓力曲線Fig.2 The pressure vs time curve in the compressed gas experiment

1 頻率特性耦合現(xiàn)象的分析與解決

1.1 溢流閥的壓力穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量的影響與分析

伺服機(jī)構(gòu)配套的溢流閥為4MY-6溢流閥。4MY-6溢流閥單件交付時(shí)的壓力脈動(dòng)量在0.8～1.3MPa之間，其壓力穩(wěn)定性不滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。考慮到系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量直接受溢流閥的壓力穩(wěn)定性影響，初步分析確認(rèn)為溢流閥的狀態(tài)不滿足技術(shù)要求，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量過大。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，4MY-6溢流閥單件交付時(shí)的壓力脈動(dòng)量由0.8～1.3MPa降至0.3～0.5MPa，溢流閥的各項(xiàng)指標(biāo)已滿足技術(shù)要求。裝配改進(jìn)后溢流閥的整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)情況無任何改善，即系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量過大的問題并非簡(jiǎn)單地與溢流閥的壓力穩(wěn)定性相關(guān)。

1.2 消振元件在伺服機(jī)構(gòu)上使用的可行性分析

在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，通常通過安裝消振元件的方法來降低系統(tǒng)的脈動(dòng)量[2-3]。常用的消振元件有濾波器、蓄壓器(蓄能器)、油濾、緩沖瓶和安裝軟管隔振等[4]，各元件的消振原理如下。

濾波器有T型濾波器和寬頻濾波器，其中T型濾波器采用阻抗匹配原理進(jìn)行消振；寬頻濾波器采用使液體分流，當(dāng)液流流過相差1/2個(gè)波長(zhǎng)的兩段管路時(shí)壓力脈動(dòng)的波峰與波谷相抵消的理論進(jìn)行濾波。當(dāng)濾波器安裝在距油泵出口1個(gè)波長(zhǎng)距離內(nèi)時(shí)的消振效果最佳。

蓄壓器的消振理論為阻抗匹配的原理。

油濾相當(dāng)于一個(gè)帶有無數(shù)微孔檔板的容腔，即相當(dāng)于阻抗性復(fù)合衰減器。油濾的過濾度對(duì)諧振幅值影響較大，油濾容積對(duì)系統(tǒng)脈動(dòng)特性影響不大。油濾安裝在距油泵出口處1個(gè)波長(zhǎng)距離內(nèi)時(shí)的消振效果最佳。

緩沖瓶是基于聲容共振原理設(shè)計(jì)的，實(shí)踐證明緩沖瓶具有一個(gè)較寬的頻率響應(yīng)，同時(shí)緩沖瓶的體積對(duì)消振效果有較大的影響，其形狀對(duì)消振效果基本無影響。

軟管消振的原理為隔振原理，軟管屬于低頻元件，使用時(shí)要適當(dāng)選取軟管的長(zhǎng)度。

考慮到型號(hào)用伺服機(jī)構(gòu)受體積及重量等因素的制約，濾波器、蓄壓器、緩沖瓶和軟管在二級(jí)伺服機(jī)構(gòu)上用于降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的方案是不可行的。伺服機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)為避免液壓油污染而設(shè)計(jì)、安裝油濾，但是由于結(jié)構(gòu)空間的限制，油濾的安裝位置距油泵出口處較遠(yuǎn)，且無法安裝在距油泵出口處1個(gè)波長(zhǎng)的距離以內(nèi)，即用油濾來改善系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)情況是不理想的。

綜上所述，通過在伺服機(jī)構(gòu)上安裝消振元件的方法來降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的方案是不可行的。

1.3 系統(tǒng)頻率特性耦合現(xiàn)象的分析與解決

(1)系統(tǒng)頻率特性耦合現(xiàn)象的分析

在裝配改進(jìn)前溢流閥的整機(jī)試驗(yàn)過程中，當(dāng)溢流閥發(fā)生嘯叫時(shí)，通過頻譜分析儀監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的主頻點(diǎn)在1.5kHz左右。在裝配改進(jìn)后溢流閥的整機(jī)試驗(yàn)過程中，當(dāng)溢流閥發(fā)生嘯叫時(shí)，系統(tǒng)壓力脈動(dòng)的主頻點(diǎn)仍在1.5kHz左右。由此可知，溢流閥改進(jìn)前、后對(duì)整機(jī)狀態(tài)下系統(tǒng)壓力脈動(dòng)頻譜的主頻點(diǎn)無影響。

通過對(duì)溢流閥的設(shè)計(jì)狀態(tài)分析確認(rèn)，4MY-6溢流閥在改進(jìn)前、后其先導(dǎo)閥的固有頻率特性未發(fā)生變化，理論值為1.53kHz。通過理論分析及試驗(yàn)確認(rèn)，在整機(jī)狀態(tài)下，溢流閥的先導(dǎo)閥存在諧振的現(xiàn)象，其外在表現(xiàn)為溢流閥發(fā)生嘯叫，導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量遠(yuǎn)大于溢流閥單件交付時(shí)的壓力脈動(dòng)值。

針對(duì)溢流閥的諧振現(xiàn)象，按照諧振理論，激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的三要素為激勵(lì)源、耦合通道和諧振對(duì)象。伺服機(jī)構(gòu)高壓油路由油泵、大殼體內(nèi)的高壓管路、溢流閥、高壓軟管、伺服閥和作動(dòng)器高壓腔構(gòu)成?？紤]到整機(jī)在零指令信號(hào)下溢流閥也存在嘯叫的現(xiàn)象，而在零指令狀態(tài)下，高壓軟管內(nèi)液體流速較低，液體狀態(tài)較為穩(wěn)定，作動(dòng)器的高壓腔的體積相對(duì)恒定不變，確認(rèn)伺服機(jī)構(gòu)發(fā)生諧振的三要素分別為油泵、大殼體內(nèi)的高壓管路和溢流閥[5-6]。

(2)頻率特性耦合現(xiàn)象的解決

4MY-6溢流閥先導(dǎo)閥自然頻率的理論值為1.53kHz，其由先導(dǎo)閥彈簧剛度、先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量、先導(dǎo)閥閥座質(zhì)量和先導(dǎo)閥彈簧質(zhì)量決定?？紤]到溢流閥的設(shè)計(jì)要求以及結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施的可實(shí)現(xiàn)性問題，無法實(shí)現(xiàn)較大幅度地改變先導(dǎo)閥的固有頻率。即通過改變諧振對(duì)象的頻率特性來解決整機(jī)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量大的問題是不可行的。考慮到伺服機(jī)構(gòu)配套油泵結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及改進(jìn)措施的可行性等因素，從消除激勵(lì)源的方法來解決整機(jī)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量大的問題是不可行的。

在進(jìn)行大殼體內(nèi)的管路設(shè)計(jì)時(shí)，其設(shè)計(jì)的主導(dǎo)思想是基于“溝通”理論，即在工藝性允許的條件下，只要管路通徑滿足使用需求，各段管路能溝通即可。而各段管路連接處的夾角設(shè)計(jì)以及過渡段的設(shè)計(jì)理念尚未在大殼體的管路設(shè)計(jì)中得以落實(shí)。導(dǎo)致大殼體內(nèi)的管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、折角溝通環(huán)節(jié)較多且各段管路的長(zhǎng)度較短，管路的上述特征造成管路動(dòng)態(tài)特性的理論分析結(jié)果與實(shí)際情況的吻合性較差，理論分析的結(jié)果只具有廣義的指導(dǎo)性。

參考液壓系統(tǒng)中阻尼孔的設(shè)計(jì)思想，當(dāng)一段管路中出現(xiàn)薄壁小孔節(jié)流時(shí)，該段管路的頻率特性將隨薄壁小孔的狀態(tài)及位置的變化而變化，即薄壁小孔可以認(rèn)為是管路的“隔振喉”[7-9]。通過在伺服機(jī)構(gòu)的高壓管路中安裝節(jié)流小孔，從而增加高壓管路的阻尼特性，改善管路的頻率特性。經(jīng)分析，采用在伺服機(jī)構(gòu)高壓油濾的出油口處安裝節(jié)流塊的方案可以改善高壓管路的頻率特性，節(jié)流塊的安裝示意圖如圖3所示。經(jīng)理論計(jì)算，在泵的最大輸出流量下，節(jié)流塊的壓力損失不大于0.1MPa,滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖3 節(jié)流塊示意圖Fig.3 The sketch map of the throttle block

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 中頻電機(jī)冷試試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在中頻電機(jī)冷試狀態(tài)下，整機(jī)未安裝節(jié)流塊時(shí)系統(tǒng)的壓力曲線如圖4(a)所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量不小于4MPa。整機(jī)安裝節(jié)流塊后系統(tǒng)的壓力曲線如圖4(b)所示(曲線中的壓力下降是由于冷試時(shí)伺服機(jī)構(gòu)的輸入指令信號(hào)過大造成的)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量在0.8MPa左右。通過中頻電機(jī)冷試試驗(yàn)的對(duì)比可知，整機(jī)安裝節(jié)流塊后，系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量明顯降低，驗(yàn)證了節(jié)流塊對(duì)降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量的效果。

圖4(a) 未安裝節(jié)流塊時(shí)系統(tǒng)中頻電機(jī)冷試試驗(yàn)曲線Fig.4(a) The pressure vs time curve in the motor experiment without the throttle block

圖4(b) 安裝節(jié)流塊后系統(tǒng)中頻電機(jī)冷試試驗(yàn)曲線Fig.4(b) The pressure vs time curve in the motor experiment with the throttle block

2.2 冷氣冷試試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在冷氣冷試狀態(tài)下，整機(jī)未安裝節(jié)流塊時(shí)系統(tǒng)的壓力曲線如圖5(a)所示。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量不小于4MPa。整機(jī)安裝節(jié)流塊后系統(tǒng)的壓力曲線如圖5(b)所示(曲線中的壓力下降是由于冷試時(shí)伺服機(jī)構(gòu)的輸入指令信號(hào)過大造成的)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量在0.8MPa左右。整機(jī)冷氣冷試試驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了節(jié)流塊對(duì)降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量的效果。

圖5(a) 未安裝節(jié)流塊時(shí)系統(tǒng)冷氣冷試試驗(yàn)曲線Fig.5 (a) The pressure vs time curve in the compressed gas experiment without the throttle block

圖5(b) 安裝節(jié)流塊后系統(tǒng)冷氣冷試試驗(yàn)曲線Fig.5(b) The pressure vs time curve in the compressed gas experiment with the throttle block

通過三套整機(jī)的熱試試驗(yàn)考核，在熱試狀態(tài)下，節(jié)流塊亦能很好地抑制系統(tǒng)壓力的脈動(dòng)量。通過冷、熱試狀態(tài)的對(duì)比可知，安裝節(jié)流塊后，系統(tǒng)的壓力脈動(dòng)量得到明顯的改善。通過對(duì)熱試狀態(tài)下系統(tǒng)油液溫升的監(jiān)控可知，安裝節(jié)流塊后，系統(tǒng)油液的溫升無變化。

3 結(jié)論

本文對(duì)某型號(hào)用伺服機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量過大的問題進(jìn)行了分析，確認(rèn)系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量過大是由于溢流閥出現(xiàn)諧振的現(xiàn)象造成的。通過對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的分析，確認(rèn)安裝節(jié)流塊是降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)最簡(jiǎn)潔、最有效的途徑。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)流塊對(duì)降低系統(tǒng)壓力脈動(dòng)量是有效的。同時(shí)理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)了伺服機(jī)構(gòu)高壓傳感器測(cè)壓點(diǎn)位置選擇的不合理性，為后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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Pressure Fluctuation Analysis for Servomechanism

WANG Zhi-guo，GUO Hong-gen，YUAN Yong，JI Qiu-ping，TONG Zhang-shun

(Servo Technology Institute of China Aerospace science & Industry Corp，Nanjing 210006，China)

The reason for the large supply pressure fluctuation in electro-hydraulic servomechanisms was analyzed, and the frequency coupling was found among the oil pump, the high-pressure pipeline and the relief valve, which caused the resonance of the relief valve. According to the frequency coupling, a throttling block is installed in the high-pressure pipeline and the pressure fluctuation of the system decreased from 4MPa to around 0.8MPa. The method is proved to be effective.

Electro-hydraulic servomechanisms; Pressure fluctuation; Frequency coupling

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.05.011

2015-04-28；

2015-05-07。

王指國(guó)(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要從事伺服技術(shù)的研究。E-mail：wzgwzg000@163.com

TM32

A

2095-8110(2016)05-0056-04