基于AMESim的比例方向阀与直驱式伺服阀故障特性分析.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 ：本文引用格式：王俊奇，郑刚，付永忠，等基于 的比例方向阀与直驱式伺服阀故障特性分析机床与液压，（）：，（）：收稿日期：作者简介：王俊奇（），男，硕士研究生，从事电液伺服阀故障诊断等方面研究。：。基于 的比例方向阀与直驱式伺服阀故障特性分析王俊奇，郑刚，付永忠，叶兴海（江苏大学机械工程学院，江苏镇江；镇江四联机电有限公司，江苏镇江）摘要：比例方向阀与直驱式电液伺服阀具有响应快、抗污性染性强等优点，广泛应用在各大工业领域。根据比例方向阀和直驱式伺服阀的结构和工作原理，利用 软件搭建两种阀的仿真模型，仿真分析这两种阀在常见故障下的流量特性曲线，通过电液伺服阀性能检测平台将仿真与实验数据进行对比，验证了仿真模型的准确性。通过对这两种阀的分析，可为不同工况下液压系统设计中伺服阀的选择及伺服阀的故障维修提供参考。关键词：比例方向阀；直驱式伺服阀；仿真建模；故障分析中图分类号：，（，；，）：，：；前言比例方向阀和直驱式电液伺服阀是电液比例控制系统中的关键元件之一，其性能好坏直接影响到整个伺服系统的可靠性和寿命，它能与电子放大器、位置传感器配合工作，使输出液压油的流量和方向能根据输入电信号发生连续成比例地变化，同时由于它具有响应快、性价比高等特点，被广泛应用在各大工业领域。由于这两种阀的结构和控制方式较为复杂，并且造价比较高，故障原因难以确定，目前对其故障诊断主要依赖于人工经验。国内外学者对比例方向阀和直驱式 伺 服 阀 的 研 究 从 未 中 断，刘 国 平 等利 用 仿真软件分析出摩擦力是引起比例方向阀阀芯发生颤振的主要影响因素。陈立娟等通过位移传感器检测阀芯位置，提高了电液比例阀的频响和控制精度。毛乐园、周连刚利用 软件以比例电磁铁为研究对象，得出了影响电磁铁吸力的具体结论。穆玉康等利用 软件对力马达性能影响因素进行了研究，优化了线性力马达的耐高温性能。目前多数文献都以阀内部结构为研究对象，未整体探究阀的故障机制。本文作者根据比例方向阀和直驱式伺服阀的内部结构和工作原理，利用 仿真软件搭建了这两种阀的仿真机制模型，对常见故障进行了模拟仿真，分析比较了这两种阀在常见故障下的流量特性及区别，为比例方向阀和直驱式伺服阀的故障维修提供指导，同时可为液压系统元件选择提供参考，具有重要的现实意义。工作原理 比例方向阀比例方向阀的结构如图 所示。图 比例方向阀 比例方向阀的驱动装置是比例电磁铁，如图 所示，它主要由推杆、衔铁、轴承环、隔磁环、限位环等组成。当给比例电磁铁控制线圈一定电流时，在线圈电流控制磁势的作用下，形成两条磁路。由于电磁作用，比例电磁铁输出电磁力，克服弹簧和负载做功，使阀芯位置发生成比例的变化，输出相应的流量。图 比例电磁铁 直驱式电液伺服阀直驱式电液伺服阀驱动装置是线性力马达，其示意图如图 所示。当线圈不通电时，衔铁处于中位；当线圈通电时，控制磁通与固定磁通相配合，使衔铁两端产生力差，从而使力马达对外输出驱动力，推动阀芯双向移动，力大小与电流信号成比例。图 线性力马达 直驱式电液伺服阀结构如图 所示，其闭环控制是通过阀芯位移传感器、线性力马达和集成电路板实现的。将与所需阀芯位移对应的信号输入集成电路板，电路板将此电信号转换为电流作用到力马达线圈中。振荡器将阀芯位置信号转换成比例的电信号，与指令信号进行比较，比较偏差输入到电路板，产生相应的电流作用到力马达中，推动阀芯移至指定位置，直到位移偏差减为零，因而获得的阀芯位移与指令信号成比例。图 直驱式电液伺服阀 数学模型 比例方向阀数学模型由麦克斯韦公式，采用等效气隙磁道法可得，电磁力 计算公式为 式中：为等效气隙处磁感应强度（）；为空气导磁率（）；为等效气隙面积（）。阀口流量为 式中：为流量系数；为滑阀的面积梯度；为节流口前后压差；为油液密度；为阀芯位移，；为比例电磁铁增益；为死区阈值。直驱式伺服阀数学模型伺服阀通常以电流 作为输入参量，以空载流量（即 时流量）为输出参量，此时其传递函数公式为 式中：为流量增益；为马达零位的气隙极化磁通（）；为线圈匝数；为初始气隙长度（）；为空气磁导率（）；为磁极面积（）；为中位气隙磁阻（）；为弹簧片刚度（）。基于 仿真模型以某型号三位四通比例阀和某型号的直驱式伺服第 期王俊奇 等：基于 的比例方向阀与直驱式伺服阀故障特性分析 阀为研究对象，利用 仿真软件中 库、电磁库等，根据实际工作原理搭建如图 （）、（）所示的仿真模型。图 仿真模型 ：（）；（）本文作者根据实际工作状况分别对比例方向阀和直驱式伺服阀的阀芯直径、弹簧刚度、阀芯质量、油温、油液密度等关键参数进行了设定，如表 表 所示。这两种阀正常状况下的仿真结果如图 （）、（）所示。表 比例阀关键参数 参数数值供油压力 线圈阻值 线圈匝数 阀芯直径 阀杆直径 表 直驱阀关键参数 参数数值供油压力 阀芯质量 阀芯直径 阀杆直径 油温 油液密度 （）图 仿真流量曲线 ：（）；（）模型验证电液伺服阀性能检测平台如图 所示，由于流量特性能直观反映伺服阀的静态特性，故对此两种阀进行流量特性测试。图 电液伺服阀性能检测平台 此检测平台通过控制系统输入相应信号到伺服阀，经过液压阀性能检测系统，通过流量计输出流量数据于计算机，计算机软件进行数据采集处理，绘制静态特性曲线，得到图。图 流量特性测试曲线 ：（）；（）由于受液压系统及油路的影响，仿真结果和实验结果存在微小偏差。将仿真结果和测试结果相对比，验证了仿真模型的准确性。故障仿真模拟与分析利用 软件分别对比例方向阀和直驱式电液伺服阀在不同零偏、弹簧刚度衰减、供油压力以及机床与液压第 卷油液密度 种故障进行了仿真模拟。并利用批处理对比分析两种阀在此故障下流量特性的特点与差别。（）零偏由于油液、环境等因素的影响，电液伺服阀经长期使用后，有时会发生零偏故障，对其流量与伺服系统影响较大。通过改变仿真模型中质量块的零位进行零偏故障模拟，分析零偏对这两种阀流量的影响，其仿真结果如图 所示。图 零偏故障下流量特性曲线 ：（）；（）由图 可知：零偏对直驱式伺服阀影响更大。由于多数伺服阀中位没有死区，而多数比例阀有中位死区，所以当阀发生零偏故障时，比例阀在无信号输入时流量为，而伺服阀在无信号输入时则有流量产生。故对伺服阀流量进行测试时，若流量特性出现以上特点时，多发生了零偏故障。（）弹簧刚度衰减由于长期使用，弹簧的刚度系数也会发生微弱变化，对比例方向阀与直驱式伺服阀的输出流量也有较大影响。故对不同程度的弹簧刚度衰减进行了故障模拟，仿真结果如图 所示。图 弹簧衰减故障下流量特性曲线 ：（）；（）由图 可知：当弹簧刚度衰减时，比例方向阀和直驱式伺服阀的最大流量未发生变化，但其流量变化趋势较正常情况发生了异常。故当检测的比例伺服阀输出流量出现如图 所示特点时，应检测其弹簧刚度是否出现异常。（）供油压力在不同的供油压力下，比例方向阀和直驱式伺服阀的流量特性会发生较大变化。仿真了供油压力由 增加至 时两种阀的输出流量，其结果如图 所示。图 不同供油压力下流量特性曲线 ：（）；（）由图 可知：当供油压力从 上升至 时，直驱式伺服阀输出流量增加了，与比例方向阀相比，其增幅更大，对伺服系统影响较大。由此可知：当供油压力发生变化时，阀的最大流量会发生明显变化，故在进行伺服阀故障检测时，应比较其在同一供油压力下的流量特性。（）油液密度在实际工况中，由于使用环境和温度的影响，油液会产生不同程度的变化。而油液污染会导致运动部件之间的阻尼力增大，对其流量特性造成很大影响，因此通过改变油液密度参数来模拟油液污染对阀流量特性的影响，其仿真结果如图 所示。图 不同油液密度下流量特性曲线 ：（）；（）油液密度越大，黏稠度越大，阀芯移动阻力越大。由图 可知：直驱式伺服阀受油液密度影响更大，在对油液敏感的液压系统中优先考虑比例方向阀。第 期王俊奇 等：基于 的比例方向阀与直驱式伺服阀故障特性分析 当油液密度逐步减少时，阀的最大流量逐渐增大，因此对比例方向阀和直驱式伺服阀进行性能检测后，若其流量出现以上特点时，应检测油液是否出现污染，进行故障排除。结论根据阀的实际工作原理，利用 软件搭建了比例换向阀与直驱式伺服阀仿真模型，通过电液伺服阀性能检测平台验证了模型的准确性，进行了故障仿真模拟，并得出以下结论：（）通过对比例方向阀和直驱式伺服阀故障模拟，得到其在零偏、弹簧衰减、供油压力变化、油液污染 种常见故障下的流量变化特点及趋势，当测试比例方向阀和直驱式伺服阀性能后，若输出流量出现以上特点时，可依次进行故障排除。文中为比例方向阀和直驱式伺服阀故障维护提供理论依据，同时丰富了故障样本，为故障分类预测做铺垫。（）通过对比分析比例方向阀和直驱式伺服阀在常见故障下的流量特性，得知直驱式伺服阀受零偏、油液密度的影响较大，对伺服控制系统影响较为明显。研究结论对不同工况下液压伺服系统设计中液压阀的选取具有参考价值，具有一定的现实意义。参考文献：刘国平，胡诗峻，龚琦基于 的比例方向阀阀芯受力建模与仿真机床与液压，（）：，（）：陈立娟，彭泽钦，高伟，等直动式高频响比例阀位置控制研究液压与气动，（）：，（）：毛乐园，周连刚影响比例电磁铁吸力的结构因素研究液压气动与密封，（）：，（）：穆玉康，苏琦，徐兵，等直驱式电液伺服阀用线性力马达耐高温优化设计北京理工大学学报，（）：，（）：，（）：赵瑞豪，廉自生，廖瑶瑶，等新型矿用比例方向阀动态特性及控制方法分析液压与气动，（）：，（）：吴强，赵海娟，吉星宇，等无阀芯位置反馈的电液比例方向阀死区补偿方法研究机电工程，（）：，（）：王松峰，赵虎，权龙新型比例方向阀动态特性仿真研究液压气动与密封，（）：，（）：尹言利，卞大鹏，谢磊，等基于 的滑阀式伺服阀仿真及分析液压气动与密封，（）：，（）：郑文明，刘雨，张洪亮三级电液伺服阀常见故障分析液压气动与密封，（）：，（）：机床与液压第 卷