MOOG30系列伺服閥流量單邊輸出故障分析

MOOG30系列伺服閥是一種雙噴嘴擋板式力反饋伺服閥，適用于小流量的精密控制系統(tǒng)。

MOOG30系列伺服閥的工作壓力可達(dá)21MPa，流量可達(dá)0.45～5.0L/min不等。在此針對額定流量為3.7 L/min、輸入電流為-10～10mA伺服閥出現(xiàn)的流量單邊輸出故障進(jìn)行分析。

壓差為恒定值△p_c=0.05Mpa（正常值△p_c=0.4～0.5 MPa）；輸入0～10mA電流量，左、右噴嘴前壓力同時開始降低，-10mA電流時左、右噴嘴前最大壓差△p_c=0.55MPa。

1．故障現(xiàn)象

MOOG30系列伺服閥曾經(jīng)出現(xiàn)過流量單邊輸出故障，具體表現(xiàn)為：當(dāng)伺服閥控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動時，不論給伺服閥加上正向或反向電流，執(zhí)行機(jī)構(gòu)都向同一方向運(yùn)動，直至活塞碰缸。

將伺服閥裝在試驗(yàn)臺進(jìn)行空載性能測試，出現(xiàn)下列異常現(xiàn)象：

1)該伺服閥噴嘴前壓力p_c1、p_c2均與供油壓力p_s基本相同，而正常值應(yīng)為供油壓力的一半左右。

2)閥的內(nèi)泄漏量小于82mL/min，而正常值應(yīng)為小于等于350mL/min。

3)從空載流量曲線上看，-10mA時流量為-3.96L/min，0mA時流量為-0.42L/min，+10mA時流量為-0.242L/min，流量負(fù)向單邊輸出。

4)檢測兩噴嘴前壓力差△p_c與輸入電流之間的對應(yīng)關(guān)系：輸入0～10mA電流時，壓力不變，壓差為恒定值△p_c=0.05MPa(正常值△p_c=0.4～0.5MPa)；輸入0～-10mA電流量，左、右噴嘴前壓力同時開始降低，-10mA電流時左、右噴嘴前最大壓差△p_c=0.55MPa。

2．故障分析

MOOG30系列伺服閥是以力矩馬達(dá)、雙噴嘴擋板闊作為前置放大級，滑閥作為功率放大級的兩級流量控制伺服閥。其中前置放大級的雙噴嘴擋板閥是一個對稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示。高壓油p_s經(jīng)過閥內(nèi)過濾器分流到兩個固定節(jié)流孔R₁、R₂，再分別流過兩噴嘴擋板之間間隙形成的可變節(jié)流R₃、R₄，最后匯總經(jīng)過回油阻尼孔R回到油箱。簡化的工作原理圖如圖4所示。R₁、R₂、R₃、R₄組成兩路對稱的橋路，橋路中間點(diǎn)壓力p_c1、p_c2為左、右兩噴嘴前的壓力，其壓差推動滑閥運(yùn)動。

在伺服閥初調(diào)時，操作者通過改變R₃、R₄的液阻，即調(diào)整噴嘴與兩個擋板之間的間隙，使R₁×R₃=R₂×R₄，此時p_c1=p_c2，滑閥處于中立位置。當(dāng)輸入某一控制電流時，力矩馬達(dá)電磁力矩的作用使擋板產(chǎn)生位移，液阻R₃、R₄發(fā)生反向變化，橋路失去平衡，即p_c1≠p_c2，形成前置級壓差△p_c。在△p_c的作用下，滑閥產(chǎn)生位移，通過反饋桿反力矩作用，使橋路到達(dá)新的平衡位置，伺服閥輸出相應(yīng)的流量。伺服閥的輸出流量與閥心位移成正比，閥心位移與輸入電流成正比，伺服閥的輸出流量與輸入電流之間建立了一一對應(yīng)的關(guān)系。

從故障現(xiàn)象上看，無信號輸入時，伺服閥的前置放大級壓力p_c1、p_c2增大且近似相等，與供油壓力p_s接近，說明兩側(cè)的噴嘴擋板之間基本沒有間隙，液阻R₃、R₄趨于無窮大，流量q₃、q₄接近為零，閥的內(nèi)泄漏量小于82mL/min也證明了這一點(diǎn)。從空載流量曲線上看，當(dāng)伺服閥輸入正向電流時，前置放大級壓力p_c1、p_c2不變，閥心位置不變，沒有流量輸出，而當(dāng)伺服閥輸入負(fù)向電流量，前置放大級壓力p_c1、p_c2發(fā)生變化，產(chǎn)生壓差△p_c，伺服閥有負(fù)向流量輸出，說明伺服閥的擋板在電磁力矩的作用下能向右側(cè)移動，卻不能向左側(cè)移動。當(dāng)擋板向右側(cè)移動后左側(cè)產(chǎn)生間隙，使前置放大級壓力p_c1下降，壓差推動閥心向左側(cè)移動，伺服閥產(chǎn)生負(fù)向流量輸出，可以判斷該伺服閥的故障為前置級堵塞且堵塞處為右側(cè)噴嘴與擋板間，左側(cè)噴嘴與擋板靠死。

將該伺服閥解體檢查，在右噴嘴口發(fā)現(xiàn)條狀堵塞物。取出堵塞物，在工具顯微鏡下觀察，條狀堵塞物形態(tài)為月牙形，尺寸為1.497mm×0.392mm×0.22mm，材質(zhì)為橡膠。

當(dāng)伺服閥輸入正向電流時，電磁力矩使擋板向左側(cè)噴嘴偏轉(zhuǎn)，由于噴嘴與擋板已經(jīng)接觸，故堵塞狀態(tài)無改善，前置放大級壓力無壓差，閥心無位移，伺服閥無輸出流量。當(dāng)伺服閥輸入負(fù)向電流時，電磁力矩使擋板向右側(cè)噴嘴偏轉(zhuǎn)，由于堵塞物為彈性體，故擋板有位移，左側(cè)噴嘴與擋板間堵塞狀態(tài)改善，前置放大級有壓差，閥心有位移，伺服閥有流量輸出。

所以右側(cè)噴嘴擋板間隙被堵塞物堵塞造成了伺服閥流量負(fù)向單邊輸出的異常。

3．改進(jìn)措施

伺服閥前置放大級壓力油必須經(jīng)過伺服閥內(nèi)部10μm的過濾器才能到達(dá)噴嘴。經(jīng)過檢查，過濾器并未失效。可以肯定，如此大的橡膠堵塞物是無法通過過濾器進(jìn)入噴嘴的。仔細(xì)檢查過濾器到噴嘴之間的所有密封件，在右端蓋的密封圈上發(fā)現(xiàn)了與條狀堵塞物形態(tài)相似、尺寸相似的凹形缺陷。經(jīng)實(shí)物拼合，確認(rèn)條狀堵塞物即為右端蓋密封圈上的脫落物。

經(jīng)對該伺服閥端蓋與閥體安裝實(shí)際尺寸計算和作圖分析（見圖5），確定該伺服閥端蓋密封圈擠傷、脫落的原因是：

(1)該伺服閥的端蓋為非對稱性結(jié)構(gòu)，密封圈的中心距上下螺釘安裝孔的距離分別為6.9mm和7.0mm（見圖5中括號內(nèi)尺寸），但沒有識別標(biāo)志，在實(shí)際裝配中很難辨別方向。

(2)操作者在裝配端蓋時將偏心方向裝反，使端蓋密封圈槽內(nèi)徑尺寸Ф11.7mm與閥體噴嘴安裝孔3.2rm邊緣產(chǎn)生干涉（見圖5中尺寸），在端蓋與閥體界面形成尺寸約為1.5mm×0.15mm月牙形通道。當(dāng)端蓋與殼體之間通過螺釘聯(lián)接緊固后，端蓋密封圈受到壓縮變形，變形后的密封圈內(nèi)圈覆蓋在月牙形通道上的部分實(shí)體被擠入通道形成壓痕。

(3)噴嘴安裝孔Ф3.2mm孔口在圖紙上有R0.1要求，但在加工過程中未加以控制，以至最后的零件孔口為銳邊。

(4)由于伺服閥在調(diào)試及各項(xiàng)工藝試驗(yàn)中工作壓力需反復(fù)在0～21MPa之間變化，密封囤月牙形的實(shí)體壓痕因被噴嘴安裝孔的孔口銳邊剪切變?yōu)閿D傷，在工作中該實(shí)體最終產(chǎn)生脫落，進(jìn)入到噴嘴孔內(nèi)形成堵塞物。

針對上述故障產(chǎn)生的原因，提出以下改進(jìn)措施；

1)將殼體端面噴嘴安裝由Ф3.2mm改為Ф3.1mm，并將孔口倒圓角R0.2。

2)將端蓋密封周槽內(nèi)徑尺寸由Ф11.7mm改為Ф12.1mm且將槽口銳邊倒圓角R0.2，經(jīng)計算瑞蓋與閥體裝配時密封圈槽內(nèi)孔Ф12.1mm離開殼體噴嘴安裝孔Ф3.1mm邊緣的最小距離為0.1mm。

3)將密封圈規(guī)格由Фl2.5mm×1.5mm改為Ф12.9mm×1.3mm，將端蓋密封圈槽深尺寸由1.1mm改為1mm。

4)在端蓋尺寸6.9mm一側(cè)寫標(biāo)記，便于端蓋裝配時識別方向。

經(jīng)過改進(jìn)，該系列伺服閥杜絕了密封圈損壞堵塞噴嘴故障的發(fā)生。