電液伺服閥污染磨損加速退化試驗設(shè)計

王曉紅，李秋茜，閆玉潔

(北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191)

電液伺服閥是電液伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，因其具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域［1］。

據(jù)統(tǒng)計，液壓設(shè)備的故障有70%～80%是由于油液污染引起的［2］。電液伺服閥因其精密度高，對油液污染頗為敏感。油液污染導(dǎo)致的磨損，會影響其控制精度。磨損嚴重的會危及整個設(shè)備系統(tǒng)的安全運行。因此，了解油液污染程度對電液伺服閥的磨損與性能的影響程度，對于其壽命預(yù)測，保證液壓系統(tǒng)安全、可靠運行具有重要意義。以下擬通過加速試驗方法定量研究污染磨損對伺服閥壽命的影響。

1 電液伺服閥磨損機制分析及退化性能指標(biāo)選取

電液伺服閥根據(jù)前置級結(jié)構(gòu)的不同通常分為噴嘴擋板式和射流管式兩種。由于射流管式電液伺服閥前置級抗污染能力強，雙噴嘴擋板式電液伺服閥的前置級噴嘴前裝有油濾，因此油液中的污染物對兩種閥前置級的磨損均不明顯。而對于滑閥級，兩種閥在滑閥級的磨損機制相同。又由于射流管閥價格昂貴，且本試驗屬于耗損性試驗，因此選用雙噴嘴擋板式電液伺服閥進行加速退化試驗。

電液伺服閥長時間工作在高壓油液中，受到高壓油液中的污染顆粒的不斷沖擊，對閥芯的工作棱邊產(chǎn)生沖蝕磨損［5］;閥芯、閥套的徑向間隙會受到尺寸與徑向間隙尺寸相近的顆粒物的摩擦磨損［6］。棱邊磨損與徑向間隙磨損，均會導(dǎo)致內(nèi)漏量增加與壓力增益的降低。且油液的污染磨損這兩個性能指標(biāo)影響較明顯。因此，文中選擇內(nèi)泄漏量與壓力增益作為電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的性能退化參數(shù)。

2 電液伺服閥加速退化試驗

2.1 壽命評估模型

針對液壓元件污染磨損壽命研究的理論中，美國俄克拉哈馬州立大學(xué)流體傳動研究中心的E C FITCH［7］及其團隊推出的Omega壽命理論較為成熟，應(yīng)用也最為廣泛。該模型描述如下:

式中:Q(t)為內(nèi)泄漏量;

Si為元件對某一顆粒尺寸區(qū)間i的污染敏感度系數(shù) (如在0～5，5～10 μm間);

ni(t)為污染顆粒的濃度;

t為時間。

其中電液伺服閥在工作過程中，污染顆粒濃度逐漸降低，最終的試驗結(jié)果表明對元件產(chǎn)生磨損的污染顆粒濃度ni隨時間成指數(shù)關(guān)系變化:

式中:n0，i為尺寸區(qū)間i的顆粒污染物的初始濃度;n0，i=Ni－Ni+1(N1代表尺寸區(qū)間為 0 ～5 μm 的顆粒濃度，N2代表尺寸區(qū)間為0～10 μm的顆粒濃度……);ni(t)為t時間段后的污染濃度;τ為顆粒磨損時間常數(shù)，一般取9 min。

將公式 (2)代入公式 (1)可得:

由上式可推導(dǎo)出污染敏感度系數(shù)Si為:

式中:Qf，i為電液伺服閥最終內(nèi)泄漏量;Q0，i為電液伺服閥初始內(nèi)泄漏量。

在元件污染敏感度試驗中，0～10 μm的微粒所引起的流量衰減是0～5 μm和5～10 μm的顆粒所引起的流量衰減結(jié)果之和。

在上述方程的基礎(chǔ)上，不同尺寸區(qū)間的Si可以通過S1推導(dǎo)出來。S1代表最低尺寸區(qū)間的污染敏感度系數(shù)，通常為0～5 μm。

對下一尺寸區(qū)間或者更高尺寸區(qū)間，

如果微粒磨損時間常數(shù)、微粒濃度、內(nèi)泄漏量退化率已知，則可以求出Si。

當(dāng)電液伺服閥的內(nèi)泄漏量從初始值降到最大允許值這段時間即電液伺服閥的磨損壽命，考慮到各個尺寸區(qū)間的污染顆粒對電液伺服閥的磨損作用，可求得在現(xiàn)場實際條件下，電液伺服閥的污染磨損壽命計算公式:

2.2 試驗方案初步設(shè)計

通過以上對電液伺服閥污染磨損機制分析，并結(jié)合加速退化試驗的一般流程，給出了如圖1所示的電液伺服閥污染磨損加速退化試驗流程。

圖1 電液伺服閥污染磨損加速退化試驗流程圖

(1)敏感應(yīng)力的確定

通過對電液伺服閥污染磨損機制的分析，得知污染顆粒的尺寸與濃度為伺服閥磨損的主要影響因素，再結(jié)合Omega壽命理論模型，可以確定工作油液中不同尺寸區(qū)間污染顆粒的濃度，為電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的敏感應(yīng)力。考慮到試驗的可行性與GJB 420B-2006(航空工作液固體顆粒污染等級分級)［8］的制定形式，最終選定工作油液的污染等級作為其加速退化試驗的敏感應(yīng)力。

(2)性能退化參數(shù)的選取

在針對于電液伺服閥進行壽命評估的Omega壽命理論中，Q(t)代表的是內(nèi)泄漏量，即可以選定內(nèi)泄漏量作為電液伺服閥的性能退化參數(shù)。通過對電液伺服閥故障機制進行分析，油液的污染磨損會導(dǎo)致內(nèi)漏量的增加與壓力增益的降低。為了避免由于環(huán)境干擾及人為測量帶來的誤差，保證試驗數(shù)據(jù)的準確、可信性，選定內(nèi)泄漏量與壓力增益兩個性能指標(biāo)，作為該試驗的性能退化參數(shù)。

(3)試驗應(yīng)力水平的確定

加速退化試驗中，試驗應(yīng)力水平是在產(chǎn)品正常工作時的應(yīng)力水平與產(chǎn)品在該應(yīng)力下的工作極限之間選取。由于尚未檢索到針對電液伺服閥進行加速試驗的資料，因此該試驗的應(yīng)力水平需要通過預(yù)試驗來確定。

(4)應(yīng)力施加方式的確定

由于電液伺服閥的價格昂貴，試驗樣本量有限，綜合考慮試驗的可行性與效費比，本試驗選用步進應(yīng)力的加速退化試驗方式。

(5)試驗系統(tǒng)的搭建

目前對液壓元件進行的污染試驗研究，大多采用外加污染顆粒的試驗方法。此種方法選用單一硬度的污染顆粒代替電液伺服閥實際使用時的油液污染環(huán)境。使用此方法得出的結(jié)果會與實際結(jié)果存在一定的誤差。為了模擬電液伺服閥實際使用時的油液環(huán)境，采用試驗系統(tǒng)中液壓元件本身產(chǎn)生的毛刺、碎屑與液壓原油中混合的污染顆粒進行試驗的試驗方法。而可直接應(yīng)用于本試驗的試驗系統(tǒng)，暫未檢索到。經(jīng)過對實際液壓系統(tǒng)的研究與探討，設(shè)計出了針對于本試驗方法的試驗系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電液伺服閥污染磨損試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 預(yù)試驗及結(jié)果分析

由于電液伺服閥在實際使用中，其工作液的污染度為7－8級［9］，工作極限為12級。在預(yù)試驗中，選取電液伺服閥正常工作時油液污染度與其工作極限之間的某一應(yīng)力水平進行試驗，來評判油液的污染度是否為可加速應(yīng)力，并觀測其性能退化趨勢，選擇污染度為11級的污染油液。

取一個試驗樣本，將其置于污染度為11級的工作油液中運行，其他工作條件均與被測電液伺服閥的技術(shù)要求一致。運行30 h，下面分別給出被測電液伺服閥試驗前，試驗15 h后，試驗30 h后的壓力特性曲線和內(nèi)泄漏量曲線。

(1)壓力特性曲線

其中壓力增益初始值為:75.25 MPa/mA，試驗15 h后壓力增益為:70.18 MPa/mA，試驗30 h后壓力增益為:49.77 MPa/mA。

將圖3中3條曲線進行對比，可以看出，3條曲線的斜率有遞減的趨勢，即被測電液伺服閥在油液污染等級為11級的條件下運行30 h，其壓力增益存在下降趨勢，且滯環(huán)明顯變小。

對電液伺服閥，預(yù)試驗30 h內(nèi)的壓力增益變化趨勢分別進行多項式與指數(shù)模型擬合，得到如圖4所示的擬合曲線。

圖4 壓力增益退化趨勢指數(shù)擬合曲線

表1 預(yù)試驗壓力增益不同擬合模型下的參數(shù)分析表

由圖中真實試驗數(shù)據(jù)點可以看出，在預(yù)試驗的前5 h，電液伺服閥的壓力增益有明顯的下降趨勢，5 h后壓力增益逐漸下降，在正式SSADT試驗中同樣存在這種現(xiàn)象。其原因為:試驗選用的是零重疊的電液伺服閥，即當(dāng)閥的重疊量為零時，其性能最好、最穩(wěn)定。然而生產(chǎn)方為了保證伺服閥高可靠，長壽命，一般將閥加工為正重疊。在對其進行污染磨損試驗過程中，伺服閥的重疊量逐漸從正重疊變?yōu)榱阒丿B再到負重疊。此試驗數(shù)據(jù)充分說明較高的油液污染度會對電液伺服閥產(chǎn)生嚴重磨損。

由擬合得出的電液伺服閥壓力增益退化曲線，可以看出預(yù)試驗的30 h內(nèi)，被測電液伺服閥的壓力增益存在明顯下降。且曲線的擬合度較高，由此可以確定擬合模型具有很高的可信性。由于目前在壽命預(yù)測方面，指數(shù)壽命模型較多項式模型應(yīng)用廣泛，壽命預(yù)測方法較成熟。因此，確定指數(shù)模型為電液伺服閥壓力增益退化的退化模型。

(2)內(nèi)泄漏量曲線

其中內(nèi)泄漏量的初始值為0.27 L/min，試驗15 h后內(nèi)泄漏量為0.29 L/min，試驗30 h后內(nèi)泄漏量為0.34 L/min。

對電液伺服閥，預(yù)試驗30 h內(nèi)的內(nèi)泄漏量變化趨勢分別進行多項式與指數(shù)模型擬合，得到如圖6所示的擬合曲線。

圖5 預(yù)試驗中電液伺服閥內(nèi)泄漏量變化曲線

圖6 內(nèi)泄漏量退化趨勢指數(shù)擬合曲線圖

表2 預(yù)試驗內(nèi)泄漏量不同擬合模型下的參數(shù)分析表

從整體上看，在預(yù)試驗的30 h內(nèi)，內(nèi)泄漏量有了明顯的增加，但數(shù)據(jù)點的波動較大。因電液伺服閥反應(yīng)靈敏，性能指標(biāo)在測量時，外界環(huán)境的振動、測量時的油溫均會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。若在正式加速退化試驗中，僅用內(nèi)泄漏量的測量值評判電液伺服閥的磨損程度，則會給試驗帶來很大的誤差，因此，最初選用內(nèi)泄漏量與壓力增益兩個性能指標(biāo)，作為試驗中的性能退化考核參數(shù)，是非常合理的。

壓力增益擬合效果一樣，用指數(shù)模型擬合出來的曲線擬合度較高，曲線具有很高的可信性。因此，對于內(nèi)泄漏量的退化同樣亦選用指數(shù)模型。

2.4 SSADT試驗設(shè)計

在預(yù)試驗中，電液伺服閥在油液污染等級為11級的條件下，運行30 h，其壓力增益下降了25.48 MPa/mA，即性能退化了34%;內(nèi)泄漏量增加了0.07 L/min，即增加了初始值的26%。以上數(shù)據(jù)表明，較高的油液污染等級會對電液伺服閥造成嚴重磨損，使其性能發(fā)生明顯退化。

根據(jù)對預(yù)試驗退化數(shù)據(jù)的分析，得出壓力增益的退化模型為:y(t)=92.086－9.963 2exp(0.045 2t);內(nèi)泄漏量的退化模型為:y(t)=0.265+0.008 2exp(0.068 8t)。

通過以上分析，得出電液伺服閥污染磨損加速退化試驗的試驗要點，如下:

(1)以電液伺服閥工作油液的污染度作為試驗應(yīng)力;

(2)由于電液伺服閥價格昂貴，樣本量有限，因此選擇采用步進應(yīng)力的加速退化試驗方式，選用3個樣本量;

(3)試驗應(yīng)力水平:從電液伺服閥正常工作時油液的污染度與電液伺服閥的工作極限之間選擇4個應(yīng)力水平，分別為8級、9級、10級、11級;

(4)每個應(yīng)力水平試驗時間的確定:選擇退化量相同的方式，即每個應(yīng)力水平下，使選定的電液伺服閥的退化性能參數(shù)退化10%后，升到下一應(yīng)力水平繼續(xù)試驗，如此試驗，直到做完11級油液污染度試驗為止。

3 小結(jié)

設(shè)計了步進應(yīng)力的加速退化試驗方法，對油液污染對電液伺服閥壽命影響進行研究。通過對預(yù)試驗的結(jié)果進行分析，得出了加速退化試驗的敏感應(yīng)力、應(yīng)力水平、應(yīng)力步長、性能退化參數(shù)及退化模型，給出了具體的電液伺服閥污染磨損加速退化試驗方法。該方法可以有效地縮短試驗時間，提高試驗的效費比;并且對電液伺服閥進行壽命預(yù)測，可以為電液伺服閥正常、可靠的運行提供保障。該試驗對提高電液伺服閥的可靠性，完善其性能具有一定的指導(dǎo)意義。

該方法的提出，為電液伺服閥污染磨損試驗資料缺乏的現(xiàn)狀下，做了一些有益的探索。該試驗方法不僅適用于電液伺服閥，對于其他液壓元件的污染磨損研究同樣適用。

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