中船重工第七一0研究所 湖北省宜昌市 443000
摘要：电液伺服系统由于具有功率质量比高、负载刚度大、有效载荷能力强、响应速度快等特点。被普遍应用在航空航天、武器装备、能源冶金、海洋设备、矿山机械等方面。由于电液伺服阀存在流压特性及其控制体积的变化等因素，导致电液伺服系统的动态行为具有高度非线性，同时因为模型的不确定性尤其是存在参数不确定性，给控制系统带来了困难。本文基于关于电液伺服系统可靠性探析展开论述。
关键词：电液伺服系统；可靠性；探析
引言
电液伺服机构既能控制很大的惯量和产生很大的力或力矩，又具有很高的精度和快速响应能力，因而得到了广泛应用。如用于飞机与船舶舵机控制、雷达与火炮控制、导弹与火箭姿态飞行控制等。作为飞行器控制系统的执行机构，伺服机构驱动摇摆发动机或摆动喷管来完成对飞行器的控制，其性能的好坏及可靠性高低直接关系到整个控制系统的性能及可靠性，由于伺服机构处在整个系统的后段，系统上游部件的一切故障瞬态都有可能传过来以致影响飞行品质，对伺服机构的可靠性要求很高。
1电液伺服机构
在某型号装备自动控制系统中，主要采用电动泵电液伺服机构，它具有力矩惯性比和功率质量比大、控制精度高、动态响应快、效率高等优点，伺服机构在功能上可划分为动力装置、液压油源回路和伺服控制回路3个组成部分。
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其中，动力装置包括电池，电机(1)和专用电缆;液压油源回路包括油泵(2)，单向阀(3)，过滤器(5)、(7)和(15)，蓄能器(18)，增压油箱(19)，清洗旁通阀(10)，高压安全阀(6)，低压安全阀(12)，高压快卸接头(4)，低压快卸接头(14)，放气孔(20)，油面高度传感器(11)等;伺服控制回路包括电子伺服放大器(27)，双喷嘴二级力反馈电液伺服阀(25)，直线双作用式作动器(23)，反馈电位计(21)及专用连接器和相应电缆。
2研究背景
电液伺服机构使用了许多紧固件、密封件、管道接头等基础零件，具有结构复杂、形式多样、连接部位多、组成元件多、密封要求高等特点。在产品研制过程中，由于受到使用环境、力学性能、结构形式、材料、外形等限制，对于许多外形结构相近、基本功能相同、性能要求相似、在同类产品中重复使用且使用概率高的简单结构件（简称“基础零件”），细节特征、使用材料、热处理要求、表面处理等要求不完全一致。设计人员无法直接选取到适用的标准外购件，只能设计为自制件以满足产品配套需求。需要为其制定对应的投产计划、工艺路线、工艺规程、资源配备要求、生产流转计划、交验与管理要求并确保落实，占用了较多工艺设计和生产制造资源，给生产线带来了不可忽视的巨大压力。在机加制造过程中，为保证生产质量，对于种类多、批次多、单批次数量少的基础零件也必须严格按照工艺工序执行、流转和建卡，单件连续生产时间短、准备成本高，流转、交验及管理的单件成本相对较高。以螺钉为例，与标准件专业生产厂家的标准工艺/工序、流水线自动化生产模式相比，在产出同一个螺钉时，普通研制制造单位付出的设计、生产成本要高出好几倍。在某型伺服机构中，其零件总数量约为940个，自制螺钉数量约为160个、种类约为35种，约占整机专用零件总数量的17%，约占整机全部零件种类的10%，在小型化、集成度高的伺服机构上此比例更高。
3电液伺服机构工作原理
电液伺服机构是火箭姿态控制的执行机构，在整个火箭姿态控制的回路中，惯性器件敏感出火箭的飞行轨迹，通过箭上计算机与预装程序姿态比较，误差信号经伺服放大器功率放大为伺服阀驱动电流，伺服阀将此电信号转换为流量与其成正比的高压油驱动作动器活塞运动，从而摆动发动机喷管。作动器上位移传感器将位移信号反馈给伺服放大器，与输入端信号进行比较，由此构成闭环位置控制系统。能源回路由直流电机、液压泵、过滤器、单向阀、安全阀、蓄能器和油箱等组成，基本功能是提供流体动力。控制回路由伺服放大器、伺服阀、作动器、传动机构、反馈电位计等组成，基本功能是将电子控制指令转为作动器运动。第3个回路称作负载力传递回路，由主壳体和作动器等组成，基本功能是将作动器伸缩运动转化为发动机的摆角运动并提供抵抗外负载作用下的系统支撑结构。
4电液伺服阀的故障机理分析
1）力矩马达的故障机理运行时，力矩马达有两个动态的过程：①电磁动态过程；②机械动态过程。故可从此两点分析其故障机理。力矩马达的电磁故障有：线圈折断、衔铁限位卡死。零件加工粗糙或引线紧凑造成线圈折断，通过分析，得到输入电流为零，则伺服阀停止运行。气隙中的杂质造成衔铁限位卡死。衔铁限位卡死多表现为衔铁工作时位置受到限制与伺服阀停止工作。力矩马达的机械故障有：阀芯磨损过度、弹簧管疲劳和反馈杆弯曲。阀芯磨损过度表现为伺服阀的零偏变动大。元件疲劳过度会导致机械的故障，尤其弹簧管疲劳表现为伺服阀振动现象。反馈杆弯曲表现为伺服阀的双向流量非对称，整体变动大。2）滑阀的故障机理起着液压放大作用的滑阀，把输入的具有位移机械信号，转变成具有流量液压信号，然后放大信号输出[4]。按照节流运行的滑阀，凭着阀套和阀芯之间相对运作，改变节流口大小，有效地控制油液的流量。一般地，滑阀的出现故障主要有：①刃边磨损；②滑阀卡滞；③阀芯径向磨损[5]。油液混有颗粒冲蚀时常会造成阀芯径向磨损和刃边磨损，倘若比阀套和阀芯硬杂质撞击摩擦两者，则会造成阀芯，阀套间棱边的磨损，零位泄漏变大，表现为零偏增大以及增益降低。油液污染物沉淀，滑阀变形往往会造成滑阀卡滞。这种现象有两个时期：缓慢期和卡死期。污染物慢慢沉淀聚集在一起，造成阀芯运行摩擦系数变大，引起伺服阀的响应迟缓，此时期称为缓慢期。当阀芯淤积力比前置级驱使力大时，阀芯停止下来，卡紧失效，此时期称为卡死期。通过分析可知，滑阀卡滞表现为缓慢期时的伺服阀流量变小、响应变得迟缓；卡死期时流量输出稳定，但阀芯处于不再工作状态。
结束语
通过对电液伺服机构设计关键特性逐层细化至零件级的识别，基于可检、可测及可量化控制的需求，确定控制点及控制要求，已经过长征系列火箭百余发验收和圆满飞行试验考核，验证识别出的设计关键特性及工艺关键特性和过程关键特性的工程价值，也为规范产品管理和提高产品可靠性提供理论参考。
参考文献
[1]周江平,杨鹤.伺服机构动态特性测试系统设计[J].计算机测量与控制,2019,27(08):25-29.
[2]刘培君.基于SOM的电静压伺服机构油滤堵塞故障诊断[J].成组技术与生产现代化,2019,36(02):11-16.
[3]刘纪光.电液伺服阀压电型前置驱动机构的设计与力学过程研究[D].吉林大学,2019.