三级电液伺服阀零位高频自激振荡机理分析

　　三级电液伺服阀已广泛应用于冶金、电力和军事领域,成为大功率、高频响液压控制系统的核心部件。用户在处理这类系统的故障和测试问题时,会发现三级电液伺服阀存在零位高频自激振荡现象^[1],即三级电液伺服阀使用了一段时间后,即使不供给外部控制信号(零位工况),甚至不与执行机构构成反馈系统(检测信号断开),只要液压动力源提供足够的供油压力,三级电液伺服阀就会自动起振,且振动的频率相当高,振动的幅值会随着三级阀使用时间的延长有所增加,严重时将导致系统不能正常工作,影响产品质量,只能判定三级阀报废。本文旨在探讨形成这一故障现象的原因,并通过三级阀数学模型的建立和分析来给出满意的解释。

　　1 三级电液伺服阀的结构与数学模型

　　1.1 三级电液伺服阀的结构

　　三级电液伺服阀先导级大多采用喷嘴挡板型伺服阀(位移-力反馈结构),功率级采用滑阀结构,滑阀上带有控制阀芯位移的传感器,其输出信号反馈到三级阀控制器,使整个三级阀构成了一个位置闭环控制系统^[2],如图1所示。

　　1.2 三级电液伺服阀数学模型的建立

　　以MOOG公司生产的三级电液伺服阀D079F2029为例,这种阀在正常状态下,各个环节的传递函数及其参数如下:

　　(1)放大器和线圈环节动态方程的拉氏变换为

　　式中:K_g为放大器与线圈的开环增益; R_c为每个线圈的电阻;s为拉普拉斯算子;ω_a为每个线圈电路转折频率;r_p为放大器内阻;e_g为伺服放大器输入电压;K_b为每个线圈的反电势常数;θ为力矩马达转角;i_c为控制电流。

　　(2)衔铁组件动态方程的拉氏变换为

　　式中:J_a为衔铁组件惯量;B_a为衔铁粘性阻尼系数;K_l为伺服放大器增益;K_t为力矩马达中位电磁力矩系数;P_N为喷嘴挡板阀负载压力;A_N为喷嘴口面积;b为小球中心至喷嘴中心的距离;r为转动中心至喷嘴中心的距离;K_f为反馈杆刚度;x_v为前置阀阀芯位移。

　　(3)挡板与喷嘴作小摆角运动,视为比例环节,故

　　式中:x_d为挡板阀位移。

　　(4)先导级滑阀动态方程拉氏变换为

　　式中:K_QN为喷嘴挡板阀流量增益;A_V为前置阀芯有效端面积;ω_hp为前置阀液压固有频率;ξ_hp为前置阀阻尼比(无因次)。

　　(5)根据前置阀输出方程、主阀的流量方程和阀芯运动方程,经整理得出主阀传递函数为