电液伺服阀自激现象分析

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我所生产的电液伺服阀主要是以喷嘴-挡板式和偏导-射流式两种结构作为前置级的力反馈式两级流量伺服阀。在伺服阀的调试和使用过程中。在某种条件 (如特定压力或某-温度)下，伺服阀会出现自持振荡.也叫自激 当伺服阀自激的频率和幅值达到-定程度，就会发出啸叫的声音。

高频、高强度的自激不仅会造成伺服阀及所属伺服机构的某些性能指标降低.而且更会消耗伺服阀中某些零件的疲劳寿命.严重时会造成伺服阀关键零件--弹簧管的破裂.伺服阀性能出现严重超差。因此，为提高伺服阀的性能稳定性和质量可靠性.必须对伺服阀的自激现象进行分析.并找到相应的措施1 伺服阀的工作原理伺服阀的工作原理示意图如图 1所示前置液压放大级：-般由喷嘴、挡板、节流孔(或射流盘、偏转板)组成.随着衔铁组件的偏转，能输出-定功率的液流.去驱动阀芯运动。

功率级：由阀芯、阀套组成，阀芯在前置液压放大级的作用下移动.从而输出大功率的液流。推动液压执行机构 (液压作动器或液压马达等)运动。

控制腔：指阀芯两端的容腔，由于控制腔与前置液压放大级的两喷嘴腔或射流盘的两接收腔是相通的.故有时把控制腔称为喷嘴腔或接收腔。

厂-] ZHILIANG YU KEKAOXlNGI 1 2----------- L2013年 第 3期 ◆总第 165期图1 伺服阀工作原理示意图负载腔：指伺服阀底面与液压作动器 (或液压马达)两工作腔相通的两腔，用以控制液压作动器(或液压马达)的往复运动 。

2 自激发生的具体现象统计对伺服阀发生自激的情况进行统计.经常发生自激的部位和现象比较集中.具体如下：1)前置液压放大级液压零位的自激对前置液压放大级的液压零位进行精调.当衔铁组件处于零位附近时.衔铁组件可能出现自激，两腔压力越高.自激声音越大 在此过程中。当衔铁组件 自激的强度达到-定程度，两控制腔的压力也会随之升高.液压零位出现偏移。

2)前置液压放大级与功率级配调时的自激前置液压放大级的液压零位调好后 .就可以与功率级配调。即把衔铁组件中的反馈杆小球放在功率级的阀芯槽中.通过移动前置液压放大级的位 量 丞置.使功率级滑阀副处于机械零位状态 (无流量输出)。此过程中，衔铁组件和阀芯都可能发生自激。

自激发生时.衔铁组件处于高频颤振状态，严重时能发出刺耳的声音.与控制腔相连的压力表的表针出现微微抖动 .与阀芯两负载腔相连的压力表的表针也出现往复摆动或偏置-边。

3)整阀初调和验收过程中出现的自激伺服阀力矩马达充磁完毕.进行空载流量曲线的测试时.伺服阀可能会发生自激。此过程中，衔铁组件会出现高频自激.并发出刺耳的声音.严重时空载流量曲线会出现变形.零位附近的曲线变形尤其严重。

4)伺服阀与整机进行匹配试验时出现的 自激伺服阀装在伺服机构整机上进行磨合试验等温升较快的项 目测试时，伺服阀会出现自激。此过程中，伺服阀发出刺耳的声音.伺服阀的电流曲线或负载两腔的压差曲线会出现高频、大幅值的干扰信号.同时作动器活塞杆出现微幅抖动。自激严重时.伺服机构的位置回环曲线会出现鼓包、滞环变宽等异常现象3 自激产生的原因分析3.1 自激的激发原理共振的定义是：两个振动频率相同的物体，当- 个物体发生振动时.引起另-个物体振动的现象。

- 般来说，-个系统 (不管是力学的还是电子的)有多个共振频率.在这些频率上振动比较容易 .在其它频率上振动 比较 困难 。假如引起振动的频率比较复杂的话 (比如是-个冲击或者是-个宽频振动).-个系统-般会 挑出”其共振频率并随此频率振动，而将其它频率过滤掉。

伺服阀在调试和使用过程中出现的自激.就是由于伺服阀内部液流中的液流脉动频率中.出现了与衔铁组件或阀芯 (或活塞杆)等零组件的固有频率相同的频率而产生共振造成的3.2 自激产生的条件产生自激的重要条件有两个：1)自激的零组件要有弹性，也就是说.自激的零组件本身要存在-个或多个固有频率2)自激的零组件所处的环境中必需存在与自激零组件固有频率相同或基本相近的频率因素3.3 伺服阀固有频率点分析在伺服阀的零组件中，运动的零组件是衔铁组件和阀芯.其他零组件虽然理论上都存在固有频率点.但由于其固定不动，且固有频率很高，故不对其进行分析.只分析衔铁组件和阀芯的固有频率点。

1)伺服阀衔铁组件的固有频率点分析衔铁组件的固有频率与衔铁组件的综合刚度、转动惯量有关，具体计算公式见式 (1)。

、/等式中：.，为衔铁组件的转动惯量 ；K -K -K ， 为衔铁组件的综合刚度，K 为衔铁组件中弹簧管刚度，K 为力矩马达充磁后的电磁刚度，K为衔铁组件所受的液压刚度，K，为衔铁组件中反馈杆产生的反馈刚度。

经计算 .喷嘴-挡板型液压前置放大级在20MPa供油压力作用下，对衔铁组件产生的液压刚度值约为 0.5N·m/rad.对于偏导-射流型液压前置放大级而言， ，忽略不计。

综上所述.伺服阀在不同的调试状态下.存在不同的固有频率，具体分析如下：(1)在前置液压放大级的液压零位调试过程中，由于反馈杆悬空，不存在反馈刚度K，；另外不充磁，也就不存在力矩马达的电磁刚度K- 经估算.此种情况下.常用两级伺服阀产品衔铁组件的固有频率值在 1000～3500Hz之间(2)前置液压放大级与功率级配调功率级的机械零位时.由于反馈杆小球插入到了阀芯槽中.即存在反馈刚度K 。经估算，此时衔铁组件的固有频率值在 1300～4000Hz之间。与上-种情况比较而言。同-种衔铁组件的固有频率略有增加。

(3)伺服阀充磁完毕后，反馈刚度 和电磁刚度 K 都存在，此时，电磁力对衔铁组件的运动起着阻尼作用，衔铁组件的固有频率降低。-般处于 500～1000Hz之间2)伺服阀阀芯的固有频率点分析在-定压力下.阀芯两端充满压力的容积相当于两个液压弹簧，其作用在阀芯两端.与阀芯-起产生-个液压固有频率。固有频率的计算见式 (2)。

ZHILIANC- YU KEKAOXINC-， 厂] 、V匦V，m (2)式中： 为阀芯两端的面积，值为 (0.3215～1.7663)CIIlt2； 为油液有效体积模数，取值7x10sPa；V 为油道及阀芯-端容腔的可压缩体积：m为阀芯质量经估算.常用两级伺服阀产品不同阀芯在液压弹簧作用下.固有频率值在 5000～20000Hz之间3.4 液流中脉动频率产生因素分析综上所述，伺服阀 (包括所属系统)产生自激的第二个条件是液流中存在不同幅值和不同频率的脉动液流。相关资料表明.伺服阀体内产生脉动液流的因素主要有以下几方面：1)伺服阀壳体内不同油道形状及表面质量能造成液流中紊流频率和幅度的变化.产生-定频率和幅值的脉动频率：2)阀体油道上节流孔前后压差过大、油液中空气含量大.能造成液流出现气穴现象.产生脉动频率：3)液压泵的转动、溢流阀的开启以及管路的振动等各个机械振动源产生的干扰.传导致液流中.产生脉动频率。

4 抑制自激的措施和建议为了避免伺服阀出现过度的自激现象.需从设计 、工艺、加工、装配、调试等各个方面采取措施.主要应从调整伺服阀零组件的固有频率和减弱液流中脉动频率两方面人手。

4.1 调整伺服阀零组件的固有频率1)调整弹簧管和反馈杆的刚度设计值.改变衔铁组件在不同工况下的固有频率值.从而避开液流中相近的脉动频率点：2 通过调整喷嘴腔的压力.改变衔铁组件所受液动力产生的液压刚度.从而使衔铁组件的固有频率得到改变：3)通过调整伺服阀力矩马达的充磁量大小。

改变衔铁组件所受电磁刚度的大小.从而改变衔铁组件在充磁情况下的固有频率值：4)通过改变阀芯两端容腔或与之相连油道的容积.改变阀芯和油液容腔-起形成的固有频率值。

4.2 减弱液流中的脉动频率1)弱化形成紊流的条件厂] ZHII-IANC，--YU KF-I

原则上讲，油道的水力直径越小.其内表面的绝对粗糙度要求越高.才能最大限度地减少油道表面粗糙度对液流的影响 ：(3)加强节流凶毛刺或油道交叉孔处毛刺的清理.减弱毛刺对液流流动状态的影响2)避免液流产生气穴现象(1)要充分排除油液中的空气或防止空气进入油液中，避免油液中含有大量的空气：(2)合理设置固定节流孔、喷嘴/I，L、回油阻尼器等各节流孔的大小.保证各节流孔前后的压力满足无气穴的条件。

薄壁节流孔需保证进、出油压力之比小于3.5：厚壁节流孑L需满足以下条件 ：( )其中： 为厚壁孔流量系数；C为气穴系数，C( - )/(P1-P2)，P 为节流孔进油腔压力，尸2为节流孔 出油腔压力， 为油液的空气分离压力。

3)减少机械振动对液流的影响(1)通过调整液压泵的转数或提高液压泵的加工质量〉低液压泵的噪声；(2)合理设置溢流阀阀芯的固有频率，以避开伺服阀本身的固有频率点：(3)合理设计管路的长度和壁厚，选用合适的材料.力求降低管路振动频率对液流的影响。

5 结论本文在对电液伺服阀的自激现象进行统计和归纳的基础上.初步分析了自激产生的原理和条件。

并针对抑制或消除自激现象提出了几项措施和建议这些措施和建议大都是对以往我所解决不同伺服阀产品自激问题而采取措施的归纳和总结.对伺服阀的设计和生产有-定的借鉴作用。