液压伺服系统的污染控制

项目

说明

失

效

模

式

及

后

果

主

阀

失

效

冲蚀

失效

油液中大量微小的固体颗粒随高速油液流过阀口时，冲蚀阀芯与阀套上的节流棱边；致使节流棱边倒钝，导致伺服阀零区特性改变，压力增益降低，零位泄漏增大

淤积

失效

≤r(半径间隙)的颗粒聚积于阀芯与阀套之间的环形间隙；致使加快阀芯与阀套的磨损，启动摩擦力加大，滞环增大，响应时间增长，工作稳定性变差，严重时出现卡涩现象

卡涩

失效

阀芯与阀套环形间隙中不均匀的淤积造成侧向力，侧向力使阀芯与阀套的金属表面接触，从而出现微观粘附(冷压接触)，造成卡紧；卡紧使启动摩擦力加大，造成阀的工作不稳定，严重卡紧时将引起卡涩失效

腐蚀

失效

油液中的水分和油液添加剂中的硫或零件清洗剂中残留氯产生硫酸或盐酸，致使节流棱边腐蚀，造成与冲蚀相同的后果

先导阀失效

伺服阀内装过滤器堵塞或喷嘴、挡板、反馈杆端部小球的冲蚀、磨损所致；过滤器堵塞降低了阀的灵敏度及响应，严重时难以驱动功率滑阀

失效主要原因

液压伺服系统中85%以上的故障是油液污染造成的；污染中又以固体污染物最为普遍，危害也最大。典型脏油液颗粒尺寸分布如图所示。图示表明：

≤5μm颗粒占总数的86%。伺服阀阀芯与阀套半径间隙的典型值为1~2.5μm，且阀口上的流速高达50m/s以上，因此≤5μm的大量微小颗粒是造成阀芯与阀套冲蚀失效、淤积失效和卡涩失效的主要原因。喷嘴与挡板的典型间隙为20~30μm，因此20μm左右的颗粒最易造成先导阀及内装过滤器的失效

结构图

说明

(a)这一类阀属于精密型阀。主要用于航空和航天领域。由于其苛刻的环境温度(-55~150℃甚至更高)、高离心加速度、高冲击和严格的重量及安装空间要求。而且为了满足一定的流量要求，额定工作压力一般在21MPa以上。使得这类阀结构异常紧凑，体积小、重量轻。阀体为不锈钢。两个喷嘴压合在阀体内，力矩马达和衔铁-挡板-弹簧管-反馈杆组件都直接固定在阀体上部。无阀套，或有阀套和阀体间隙密封。各零部件尽可能小，这必然带来零部件精密度高，工艺复杂。为了满足严格的静、动态性能要求，尤其是各种工作条件下的零漂要求，要反复进行调试。所以这类阀工作异常可靠。在正常寿命期内零偏无需调整，零漂也很小。工作寿命长，经过正常大修寿命可超过十年。该类阀在21MPa额定阀压降下，额定流量不大于54L/min，频宽在100Hz以上。造价高，价格贵，对油液清洁度要求高是其缺点。属于该类阀的有FF101，FF102，YF12，YF7，MOOG30，MOOG31，MOOG32，DOWTY30，DOWTY31，DOWTY32等

(b)为满足军用地面设备及部分工作条件恶劣、要求减少调整维护时间、适当增大流量的民用工业的要求，在保留a类阀结构特点的基础上，将零、部件尺寸适当加大，只是全部具有和阀体间隙密封的阀套。该类阀基本上保留了a类阀的静态性能指标，但动态性能稍有下降，而且前置级零位静耗流量增大近一倍。额定阀压降(21MPa)下的额定流量大约为50~100L/min，个别的达到170L/min。该类阀和a类阀一样工作可靠、寿命期内零偏无需调整，但造价依然较高，价格较贵。属于该类阀的有FF106，FF106A，FF130，YF13，MOOG34，MOOG35等

(c)随着自动化技术的发展，工业各领域对廉价、性能良好而又便于现场调试的各种规格的伺服阀的需求越来越大。由于多年的经验积累，双喷嘴挡板力反馈伺服阀的理论和加工工艺日渐成熟。伺服阀各生产厂家在原有的基础上对结构、材料和工艺进行了改进。主要有将阀体材料改为铝合金，阀套和阀体间采用橡胶圈密封。并在阀体上加上偏心销以使阀套轴向移动调整零位，或增加衔铁组件调零机构。另外一个重要的改进就是增加了一个一级座，力矩马达、衔铁组件和喷嘴挡板前置放大级全部装在其上，调好零位后直接装在阀体上，简化了调试程序。还有的将喷嘴和阀体或一级座用螺纹连接，便于调零。有的阀在阀体上装有可现场更换的滤油器。有的为前置级附加单独进油孔，以便在主油路压力波动大时仍能保证良好的性能等等。但是，凡是影响伺服阀静、动态性能的关键尺寸的关键精度都不降低

到目前为止，这一类规格齐全、性能良好、品种繁多、工作可靠、价格适宜的伺服阀遍布于工业的各个领域。该类阀的典型产品有MOOG760，MOOG73，MOOG78，MOOGD761，MOOGD630，MOOGG631，FF131，QDY1，QDY2，QDY6，QDY10，QDY12，YFW106，YFW08，DYSF-3Q，DOWTY4551，DOWTY4659，DOWTY4658，4WS(E)2EM6，4WS(E)2EM10，MOOGG761等。这类阀流量规格从40~150L/min(阀压降Δp＝7MPa)，供油压力范围一般为1~21MPa，有的可到28和31.5MPa。工作温度范围一般在-40~100℃，有的可到135℃。动态特性随着流量的增加逐渐变差，当额定流量达到150L/min时，幅频宽只有10Hz左右。为解决大流量的动态问题，出现了d类阀

(d)该类阀阀端减小控制面积，提高了大流量阀的动态品质。230L/min(阀压降Δp＝7MPa)的阀幅频宽大于30Hz，但由于阀芯驱动面积减小，造成分辨率由0.5增加到1.5。这类阀主要有FF113，YFW10，DYSF-4Q，MOOG72，DOWTY4550，4WS(E)2EM16等

(e)为解决中大流量的动态响应和进一步提高静态精度，出现了在力反馈基础上增加阀芯位移电反馈的二级阀。典型产品有MOOGD765，QDY8，4WSE2ED10，4WSE2ED16等。这类阀由于伺服放大器的校正作用，不但滞环和分辨率分别由3%以下和0.5%以下降到0.3%以下和0.1%以下，而且对中小信号输入下的动态响应能力有了成倍的提高。但受喷嘴挡板级输出流量的限制，对大信号输入的动态响应作用不大

(f)为满足中、大流量(100~1000L/min以上)伺服阀高动态响应的要求，出现了以双喷嘴挡板力反馈两级阀作为前置级，功率级阀芯位移电反馈的三级阀。其静、动态性能达到了中小流量的水平，甚至更高。典型产品如FF109，QDY3，DYSF，MOOG79，MOOGD791，MOOGD7924WSE3EE等

尽管双喷嘴挡板力反馈(电反馈)伺服阀是目前各工业领域应用最为广泛，数量最多的一种伺服阀，但这类阀也存在一个先天性的问题，即喷嘴挡板之间间隙太小(0.025~0.06mm)容易堵塞，而且一旦堵塞就会造成伺服阀最大流量(压力)输出，从而造成重大事故。虽然由于人们对油液清洁度的重视及过滤技术的成熟，以及电子、控制技术的发展可以对有关参量进行监控，在出现上述或类似故障时采取故障保护措施，如切断供油、将供油与回油直接接通、切换为另一个阀工作(多余度控制)等，使得这一问题已经淡化。但在一些关键场合人们还是愿意采用象射流管阀或射流偏转板阀以及近几年出现的力马达直接驱动电反馈阀(DDV)这样一些抗污染能力好、失效回零的伺服阀。如民航机的舵面控制就无一例外地采用射流管式伺服阀。性能良好、价格便宜、工作安全可靠的伺服阀依然是人们的追求

下表汇集了MOOG伺服阀清洁度推荐值

MOOG系列

推荐清洁度等级

过滤器过滤比

结构型式

型号

正常工作

长寿命工作

正常工作

长寿命工作

直接驱动(DDV)式

D633，D634

ISO 4406＜15/12

ISO 4406＜14/11

β₁₀≥75(10μ绝对)

β₆≥75(6μ绝对)

D633为先导阀的电反馈二级阀

D681，D682，

D683，D684

ISO 4406＜18/15/12

ISO 4406＜17/14/11

β₁₀≥75(10μ绝对)

β₆≥75(6μ绝对)

喷嘴挡板二级力反馈、电反馈和三级电反馈阀

72，78，79，760，G761，

D761，D765，D791，D792

ISO 4406＜14/11

ISO 4406＜13/10

β₁₀≥75(10μ绝对)

β₅≥75(5μ绝对)

G631，D631

ISO 4406＜16/13

ISO 4406＜15/12

β₁₅≥75(15μ绝对)

β₁₀≥75(10μ绝对)

伺服射流管电反馈二级、三级阀和以D630系列为先导阀的电反馈三级阀

D661，D662，D663，

D664，D665，D691

ISO 4406＜16/13

ISO 4406＜14/11

β₁₅≥75(15μ绝对)

β₆≥75(10μ绝对)

D661G…A

ISO 4406＜18/16/13

ISO 4406＜16/14/11

β₁₅≥75(15μ绝对)

β₁₀≥75(10μ绝对)

随着过滤技术的发展，上表指标是可以实现的，并已被列入工业标准，例如，美国工业标准NFPA/JICT2.24.1—1990规定：伺服元件供油系统的清洁度等级应达到ISO 4406—14/10级。这一规范已被其他一些工业规范支持并加强，例如1991年12月发布的BMW汽车制造商规范BVH—HO和Saturn公司的规范都推荐采用伺服阀的系统清洁度为ISO 4406—13/10级

PALL过滤器公司推荐采用伺服阀的系统清洁度为PPC(PALL Cleanliness Code)＝14/13/10，并且指出该等级是目前PALL过滤器所能实现并能经济达到的

加拿大航空公司的技术报告说，其飞行模拟器上使用精细过滤，油液清洁度达到PPC＝13/12/10，经过8年连续运行后检查伺服机构，没有看出磨损痕迹

伺服阀之所以要求这么高的清洁度，正是基于伺服阀的失效模式及失效原因