伺服閥滑閥疊合量間接、氣動綜合和液動綜合測量法的對比

伺服閥滑閥疊合量間接、氣動綜合和液動綜合測量法的對比

伺服閥疊合量的測量在航空航天和空軍領(lǐng)域的航空航天控制系統(tǒng)中，有必要對功率大、速度快、反應(yīng)精確的控制場所進(jìn)行精確的電子稱重管理系統(tǒng)。在電液伺服控制系統(tǒng)中,將系統(tǒng)的電氣和液壓部分連接起來的電液伺服閥,是系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。伺服閥對制造精度要求高、工藝復(fù)雜、加工難度大。其中,伺服閥滑閥的疊合量測量和加工是其制造工藝的難點(diǎn)之一?；y由閥芯和閥套兩部分組成,因此也稱為“滑閥副”,一般在伺服閥中作為輸出級。伺服閥的疊合量,系指滑芯在閥套中位時,閥芯臺肩的工作棱邊和閥套相應(yīng)方孔工作邊的軸向配合尺寸。伺服閥疊合量的實質(zhì)是滑閥中位時各個節(jié)流口的開口形式。而根據(jù)開口形式的不同又可分為3種類型:零開口(零疊合量)、負(fù)開口(正疊合量)和正開口(負(fù)疊合量)。理論上,零開口閥可使伺服控制系統(tǒng)具有理想的線性增益特性,但是實際上滑閥總是存在一定的徑向間隙及閥口圓角。為了補(bǔ)償間隙和圓角對閥性能的影響,以使閥具有線性的增益特性,滑閥總具有一個微小的正疊合量。設(shè)計時對伺服閥滑閥疊合量的要求非常嚴(yán)格,一般配合精度為1～2μm。疊合量的測量精度直接關(guān)系到滑閥的加工質(zhì)量,這是因為疊合量的加工都是采用偶件配作的方式進(jìn)行,一般磨削閥芯臺肩去配合已提前加工好的閥套,所以疊合量的加工稱為“配磨”。配磨即為“測量—磨削—測量—再加工”的反復(fù)過程,并根據(jù)疊合量的測量值來確定每次的磨削量?；y的閥口是由閥芯和閥套的工作棱邊組成的大小可以改變的方孔。所以,對疊合量數(shù)值的要求實際上是針對閥口的邊,而非邊所在的平面(閥芯臺肩平面和閥套方孔平面)。由于對疊合量的精度要求很高,疊合量的測量一直是伺服閥加工過程中的一個難點(diǎn)。本文闡述了疊合量主要測量方法的原理和數(shù)學(xué)模型,分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn),并針對因流量系數(shù)的變化影響液動流量式綜合測量法精度的問題,提出了根據(jù)閥口流態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?以提高疊合量液動測量精度。1閥芯相對位置尺寸的計算最常見的一種滑閥是四開口滑閥,閥芯和閥套組成了4個閥口,因此相應(yīng)有4個疊合量需要配作(見圖1中的L1～L4)。由于結(jié)構(gòu)上的原因,無法直接測量疊合量,因此提出了間接測量法。間接測量法系指先分別測量閥套和閥芯的相關(guān)尺寸后,再間接地計算出滑閥的疊合量。從原理上講,可以按疊合量的定義分別計量閥套方孔4個平面之間的相對位置尺寸(見圖1中的E,F和G)和閥芯4個臺肩端面之間的相對位置尺寸(見圖1中的E1,F1和G1),即可計算出疊合量的數(shù)值。在實際應(yīng)用中,可采用螺旋千分尺或光電測長儀(見圖2)作為測量設(shè)備。由于滑閥具有對稱性,可以確定當(dāng)L2與L3相等時即為滑閥中位。因此,間接測量法計算滑閥疊合量的公式為L1=E-E1-L2L2=L3=F1-F2L4=G-G1-L3(1)L1=E?E1?L2L2=L3=F1?F2L4=G?G1?L3(1)這種采用通用設(shè)備的測量方法,具有成本低、便于操作的優(yōu)點(diǎn)。雖然采用光電測長儀可以達(dá)到亞微米級的測量精度,但間接測量方法卻有很大的缺點(diǎn)且難以準(zhǔn)確測量出真正的疊合量。其主要原因是:疊合量實際上是棱邊之間的距離,而用該法測量時,其測量點(diǎn)只能是放在形成工作棱邊的端面上,不可能落在閥口工作棱邊上。而閥口棱邊并非是理想環(huán)狀銳邊,有可能存在塌邊、圓角以及必然存在的徑向間隙等諸多非理想狀況。所以,間接測量不能反映閥口的實際情況,這種測量方法只適合于疊合量配磨粗加工或者疊合量尺寸精度要求不高的場合。2疊合量綜合測量法利用某種裝置使各閥口通過某種流體介質(zhì)(氣體或液體),根據(jù)介質(zhì)的流量或壓力等參數(shù)的變化,來間接反映各閥口之間在軸向的相對位置關(guān)系(即疊合量),這種測量方法已考慮了閥口實際形貌對疊合量的影響,可以稱為“疊合量綜合測量法”。氣動綜合測量是利用氣體作為介質(zhì),由被測幾何量的微小變化而引起的氣體流量(或壓力)參數(shù)的變化來間接實現(xiàn)對幾何量的測量。按工作參數(shù)是氣體的流量或壓力,又可分為流量式和壓力式兩種類型。2.1流量式的測量文獻(xiàn)中提到的流量式測量法,其目的和形式各不相同,但基本原理卻一致。其基本原理為:通過測量流經(jīng)閥口的流量間接地獲得閥口的開口量xv(如圖3所示)。氣源壓力為Pg,經(jīng)過精密氣動定值器穩(wěn)壓后的壓力為Pc,通過噴嘴蓋板機(jī)構(gòu)(相當(dāng)于滑閥的一個閥口)后排入大氣。在測量過程中Pc保持穩(wěn)壓,不隨閥口開口的大小變化而變動,閥口開口變化只影響閥口的流量Q。閥口流量和開口量的關(guān)系為Q=cεwVxv=Κxv(2)Q=cεwVxv=Kxv(2)其中:c為閥口流量系數(shù);ε為空氣膨脹系數(shù),在一定條件下c和ε可視為常數(shù);w為閥口寬度(常數(shù));xv為閥口開口量;理想氣體平均流速V=√2g(Ρc-Ρh)rc=√2gΔΡrc(3)V=2g(Pc?Ph)rc???????√=2gΔPrc????√(3)其中:Pc為閥口前壓力;Ph為閥口后壓力;ΔP為閥口壓差;rc為空氣重度(溫度和壓力不變時為常數(shù));g為重力加速度。所以,當(dāng)ΔP保持穩(wěn)定時,平均流速為常數(shù),這時的K也為常數(shù)。分別測量伺服閥滑閥4個閥口的不同開口大小的流量,可以得到4條xv-Q的測量曲線,從而可以計算出4個閥口的零開口位置,并以此計算出伺服閥的疊合量L1～L4。從式(3)中可以看出,流量式測量方法從原理上要求被測閥口前后壓差保持恒定。Pc通過精密的氣動定值器比較容易保持穩(wěn)定,但Ph實際上會受到測量流量的流量計本身的壓差-流量特性的影響。傳統(tǒng)的流量測量儀器——浮子流量計的壓差不受流量變化的影響(壓差等于浮子重量除以其最大截面積)。所以,流量式氣動測量中使用的流量計通常采用浮子流量計測量流量。但是,采用浮子流量計的最大的問題是不易實現(xiàn)浮子的高度信號-電信號的轉(zhuǎn)換,故不適合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行流量的信息采集和處理,即不易實現(xiàn)自動測量。而其他易于實現(xiàn)流量-電信號轉(zhuǎn)換的流量測量方式(如孔板節(jié)流法等),因其會對閥口壓差造成較大影響而引起測量誤差,也不便于應(yīng)用。熱質(zhì)流量計是利用氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量成正比的原理來測量流量。流量的變化對其前后壓差影響較小,但是這種傳感器受到量程較小、滯后大、線性度差的限制,也不易實現(xiàn)高精度的流量測量。氣動流量法在伺服閥產(chǎn)品試制階段和早期生產(chǎn)中已得到廣泛地應(yīng)用。但因需要人工采集數(shù)據(jù)、描點(diǎn)作圖等繁瑣的手工操作及計算,目前幾乎都被自動化的測量方法所代替。2.2閥口開口量的測量壓力-電信號轉(zhuǎn)換技術(shù)已經(jīng)非常成熟,壓力傳感器已得到了廣泛地應(yīng)用,且壓力傳感器的特性對閥口被測氣動參數(shù)無影響,更適合計算機(jī)采集和處理等優(yōu)點(diǎn),因此,疊合量自動測量方案基本都是采用壓力式氣動測量方法。壓力式氣動測量法的基本原理見圖4。經(jīng)穩(wěn)壓后的壓縮空氣Pg流經(jīng)寬度為w、開口量為xv的方孔,再流經(jīng)節(jié)流噴嘴溢入大氣。改變開口量xv,即可改變Pc,故可以通過測量Pc來反映xv。與流量式測量法不同的是,壓力式測量法考查的是閥口大小與壓力Pc的關(guān)系,故壓力Pc是變量。流經(jīng)滑閥閥口的質(zhì)量流量Μ1=c1ε1S1√2ρ1(Ρ′g-Ρ′c)(4)M1=c1ε1S12ρ1(P′g?P′c)????????????√(4)其中:c1為閥口的流量系數(shù);ε1為壓縮空氣在閥口處的膨脹系數(shù);閥口的過流面積S1=wxv;ρ1為空氣的密度;P′c為閥口和節(jié)流噴嘴之間的壓縮空氣絕對壓力;P′g為氣源絕對壓力。流經(jīng)后置節(jié)流噴嘴的質(zhì)量流量Μ2=c2ε2S2√2ρ2(Ρ′c-Ρ′0)(5)M2=c2ε2S22ρ2(P′c?P′0)????????????√(5)其中:c2為節(jié)流噴嘴的流量系數(shù);ε2為壓縮空氣在節(jié)流噴嘴處的膨脹系數(shù);節(jié)流噴嘴的過流面積S2=πd2/4;ρ2為空氣的密度;d為節(jié)流噴嘴的直徑;大氣壓力P′0=0.101MPa。在亞音速流動狀態(tài)和系統(tǒng)無泄漏的情況下,流經(jīng)滑閥閥口的質(zhì)量流量等于流經(jīng)后置節(jié)流噴嘴的質(zhì)量流量,即M1=M2,根據(jù)式(4)和式(5),并取壓力為表壓,則閥口開口量xv=c2ε2S2wc1ε1√(ρ2ρ1)(ΡcΡg-Ρc)=C√ΡcΡg-Ρc(6)如果忽略空氣的可壓縮性,則可認(rèn)為C=c2ε2S2wc1ε1?√ρ2ρ1是個常數(shù)。從式(6)中可以看出,閥口開口量xv和閥口壓力Pc之間呈非線性關(guān)系,故不便于進(jìn)行疊合量的計算。因此,有必要對式(6)進(jìn)行線性變換。當(dāng)令Y=√ΡcΡg-Ρc,則式(6)可寫為Y=xvC=Κxv(7)其中:比例系數(shù)K=1/C。通過測量不同開口大小的Pc,就可以得到xv-Y的測量曲線,從而獲得閥口的零開口位置,并以此計算出伺服閥的疊合量L1～L4。壓力式氣動測量方法適合測量小流量伺服閥的疊合量,能夠達(dá)到較高的測量精度。盡管壓力式氣動測量呈非線性特性,但經(jīng)線性化處理后可以變換為線性。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是易于實現(xiàn)氣-電信號轉(zhuǎn)換。因此,目前自動化的氣動綜合測量系統(tǒng)得到了廣泛地應(yīng)用。3大流量閥的測量介質(zhì)由于受到測量介質(zhì)與伺服閥的實際工作介質(zhì)不相符和容易泄漏等缺點(diǎn)的限制,壓力式氣動測量方法對大流量閥的測量精度并不高,即氣動綜合測量方法仍具有一定的局限性。因而又提出了使用液壓油作為測量介質(zhì)的“液動綜合測量法”。與氣動綜合測量法類似,按工作參數(shù)是液體的流量(或壓力)又可分為壓力式和流量式兩種類型。3.1油源壓力pg壓力式液動測量法采用的測量原理見圖5。其數(shù)學(xué)模型為xv=A√ΡcΡg-Ρc(8)其中:A為與滑閥閥口寬度、圓形節(jié)流孔直徑和兩個節(jié)流孔的流量系數(shù)有關(guān)的常數(shù);Pc為閥口和圓形節(jié)流孔之間液壓油的壓力(也稱工作壓力);Pg為油源壓力。類似于壓力式氣動測量,對式(8)進(jìn)行線性變換,令Qv=√ΡcΡg-Ρc,并分別在不同開口量下測量4個閥口的Qv,即可得到xv-Qv測量曲線,并計算出疊合量,其疊合量的計算方法與壓力式氣動測量法類似。壓力式液動測量方法最主要的問題是受溫度變化的影響,為了實現(xiàn)位移-壓力的轉(zhuǎn)換,在系統(tǒng)中人為地增加了圓形節(jié)流孔,但是溫度的變化會引起節(jié)流孔直徑和油液粘度的變化,從而影響數(shù)學(xué)模型中A的變化,引起原理性誤差,造成測量精度降低,所以該方法并未能得到實際的應(yīng)用。3.2流量式液動測量法根據(jù)文獻(xiàn),由AAI/ACLTechnologies公司研制的疊合量液壓測試臺采用了流量式液動測量方法,其測量精度達(dá)到了±0.5μm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了一套伺服閥疊合量液動配磨測量系統(tǒng),其基本原理如圖6所示。壓力為Pg的液壓油通過滑閥的閥口,并流經(jīng)流量計后回到油箱。測量通過閥口流量的大小來間接獲得閥口的開口量xv,其出流流量與開口量的關(guān)系為Q=Cdw√2Δpρxv(9)其中:Cd為閥口流量系數(shù);Δp為閥口壓差。要求式(9)中閥口壓差Δp的穩(wěn)定是測量的先決條件。在閥口流態(tài)為湍流狀態(tài)下,流量系數(shù)Cd可視作常數(shù)。所以閥口流量Q和xv在一定條件下具有線性關(guān)系Q=Cxv(10)其中:C為常數(shù)。流量式液動測量法通常采用如圖7和圖8所示的2種測量油路。圖7中換向液壓缸的2個腔面面積之比為1:2,其作用是在閥芯的一次軸向行程中自動切換液壓油的流動方向。所以,在一次行程中可以測量出2個閥口(閥口A,B或閥口C,D)的流量特性。圖8是閥切換方式的油路,即各個滑閥、各個閥口的流量分別由閥1、閥2和閥3、閥4兩兩配合開啟通過流量傳感器測量。采用流量式液動測量法的測量曲線和疊合量的計算方法見圖9。液壓缸切換方式的操作效率較高,但是由于滑閥閥口和液壓缸泄漏的影響,在一定程度上降低了測量的精度。而閥切換方式在滑閥每個閥口進(jìn)行流量測量時與其他閥口完全“隔離”,避免了各個滑閥閥口之間由于泄漏而造成的相互影響,從而提高了測量精度。但是相對而言,由于每次測量一個閥口都需要重新找一次閥口開口位置,故損失了一定的效率,且系統(tǒng)更為復(fù)雜。采用流量式液動法進(jìn)行疊合量測量存在的問題是,閥口液壓油流態(tài)的變化對流量系數(shù)Cd的影響。即隨著閥口開口量xv從關(guān)閉到逐漸打開的過程,閥口流態(tài)逐漸從層流到湍流轉(zhuǎn)變,而層流條件下流量系數(shù)Cd實際上是變化的量,而不是常數(shù)。圖10則是考慮了流態(tài)變化對理想閥口(無徑向間隙和圓角等缺陷)流量特性影響及補(bǔ)償方法的示意圖?？梢杂帽碚髁黧w流態(tài)的雷諾數(shù)來描述Cd,并采用流量式液動測量法對疊合量的測量值予以補(bǔ)償(補(bǔ)償量為圖10中的δi)后,才能得到準(zhǔn)確的疊合量數(shù)值,以提高測量精度。流量式液動測量法適用于各種類型伺服閥,尤其是大流量伺服閥疊合量的高精度測量。4壓力式液動測量法伺服閥滑閥疊合量的測量有間接、氣動綜合和液動綜合等方法。間接測量法簡單、易操作,但是由于其測量點(diǎn)不能落在滑閥閥口的節(jié)流棱邊上,不能反映閥口的實際疊合量,所以該方法的測量準(zhǔn)確性不高。氣動或液動綜合測量法考慮了閥口實際