某型電液伺服閥零偏故障分析*

廉晚祥,關 莉,王 雷,胡鵬濤,劉文斌,齊嬋穎

(航空工業慶安集團有限公司,陜西 西安 710000)

0 引 言

為了改善發動機起動、低轉速、減速、打開反推等工況下的性能及工作范圍并消除可能發生的壓氣機喘振問題,設計了進口導流葉片、多級可調靜子葉片和放氣等機構。其中導葉控制裝置[1-2]主要用于調節葉片角度,防止發動機喘振。

導葉控制裝置中的電液伺服閥主要用于為導葉控制裝置活塞分配油液,控制活塞往復運動,以此達到控制導流葉片角度的目的。因此,電液伺服閥正常工作具有重要意義,其發生故障會對導葉控制裝置的正常工作產生直接影響[3-5]。

筆者以某型導葉控制裝置使用時存在的靜差故障問題為例,通過對導葉控制裝置的工作機理分析,確定造成該現象的原因為電液伺服閥零偏問題,基于此建立故障樹,分析可能引發產品零偏故障的故障模式,定位故障原因,最終提出改進措施并進行試驗驗證,故障研究為后續電液伺服閥同類故障排除提供了參考和借鑒。

1 導葉控制裝置工作原理

導葉控制裝置由電液伺服閥、電磁閥、線位移傳感器、殼體、活塞、轉換閥等組成,如圖1所示。液壓系統正常工作,電磁閥不通電,轉換閥處于關閉狀態時,導葉控制裝置進入電液伺服閥I工作模態,接收發動機電子控制器的指令,電液伺服閥I控制油液通過轉換閥進入控制裝置活塞兩腔,產生液壓力,提供導流葉片角度偏轉的驅動力;電磁閥通電,轉換閥處于打開狀態時,導葉控制裝置進入電液伺服閥II工作模態,接收發動機電子控制器的指令,電液伺服閥II控制油液通過轉換閥進入到控制裝置活塞,產生液壓力,提供導流葉片角度偏轉的驅動力。同時控制裝置活塞內置的線位移傳感器(LVDT)將位置反饋給發動機電子控制器。

圖1 導葉控制裝置原理圖

2 電液伺服閥工作原理

電液伺服閥由力矩馬達、液壓放大器和功率級滑閥組成,如圖2所示。輸入電流信號通過線圈在銜鐵氣隙中產生控制磁通,控制磁通與極化磁通相互作用產生電磁旋轉力矩驅動銜鐵旋轉[6]。銜鐵帶動射流槽偏轉使通過射流片射出的液流流入左、右固定接收孔的動量發生相應變化,閥芯兩端受到動量不等的射流作用,從而驅動閥芯運動。于是第一級液壓放大器將信號電流轉化為滑閥級閥芯兩端的壓差,繼續驅動閥芯運動[7]。閥芯運動將拖動反饋桿移動,產生的反饋力矩反饋到力矩馬達上,直到電流信號產生的力矩與反饋桿產生的反饋力矩、偏轉板上的液動力力矩相平衡時,閥芯將停留在某一位移XV上,使輸入信號與閥芯輸出位移XV成比例,并通過滑閥副的節流作用轉化為流量線性輸出。

圖2 電液伺服閥原理圖

3 零偏故障原因分析

3.1 影響因素分析

對導葉控制裝置的工作過程進行分析,導葉控制裝置發生故障的主要表征有:導葉控制裝置控制時存在靜差,其中造成靜差故障的原因可能為電液伺服閥零偏異常和線位移傳感器精度異常故障。

基于電液伺服閥的工作原理,并結合此次故障現象開展零偏相關影響因素及其失效狀態分析,梳理可能導致導葉控制裝置電液伺服閥故障的原因,主要表現為馬達前置級位移、限位螺釘滑移、射流接收器單側堵塞和限位螺釘突出量過大為四個方面的因素。電液伺服閥結構如圖3所示。

圖3 電液伺服閥結構圖

3.2 失效狀態分析

前置級位移發生零偏失效時,主要表現為前置級放大器安裝座發生偏移,引起射流口與接受口的相對位置發生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產生零偏。

限位螺釘滑移引起零偏失效時,銜鐵兩端的工作氣隙不對稱,產生的磁力不相等,造成銜鐵組件偏移,射流偏轉板發生偏移,射流口與接受口的相對位置發生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產生零偏。

射流接收器單側堵塞引起零偏失效時,接收口壓力不相等,使閥芯兩端產生的壓力不平衡,使閥芯在壓力差作用下移動產生零偏。

當限位螺釘突出量過大引起零偏失效時,伺服閥在工作過程中銜鐵與限位螺釘撞擊,引起銜鐵組件變形、彈簧管彈性剛度變化,射流偏轉板發生偏移,射流口與接受口的相對位置發生錯位,導致兩接受口接受到的壓力勢能不等,在閥芯兩端產生的壓力不平衡,閥芯在壓力差作用下移動產生零偏。

3.3 故障樹分析

故障樹分析可對引起故障的各種原因進行層層排查分析,包括硬件、軟件以及人為環境等邏輯因果分析。將系統故障與組成系統各零部件的故障有機聯系在一起,以找出系統全部可能的失效狀態事件。

基于上述零偏故障的影響因素與失效狀態分析,建立電液伺服閥故障樹,如圖4所示。以電液伺服閥零偏超差的頂事件為出發點,向下分解出導致頂事件發生的4個故障原因:力矩馬達前置級相對殼體發生位移(X1)、限位螺釘滑移影響氣隙對稱性(X2)、射流接收器單側堵塞(X3)和限位螺釘突出量過大引起銜鐵撞擊變形(X4),根據邏輯分析可知,該4個故障原因構成了電液伺服閥零偏異常故障的底事件。

圖4 電液伺服閥故障樹

4 故障定位及解決措施

4.1 故障定位及確認

對可能導致電液伺服閥零偏故障的4個故障原因進行分析。首先對導葉控制裝置進行分解檢查,然后對電液伺服閥零偏電流進行檢測,依次對故障原因進行排查分析,最終確認底事件X4(限位螺釘突出量過大引起銜鐵撞擊變形)為可能故障原因,如圖5所示,具體排查方案與排查結果如表1所列。

表1 零偏故障原因排查方案與結果

圖5 銜鐵與限位螺釘撞擊實物圖

分解產品上蓋檢查銜鐵氣隙,在投影顯微鏡下測量氣隙大小,結果如圖6所示。產品左下(θ2)、右上(θ3)氣隙分別小于左上(θ1)、右下氣隙(θ4),且右氣隙限位螺釘突出量大。將力矩馬達分解后,測試銜鐵組件與射流器組合后的液壓特性發現,兩腔壓力相等均為6.4 MPa,與出廠時記錄的產品性能幾乎一致,機械零位未發生偏移。在顯微投影測試儀上測量銜鐵組件,銜鐵與右側氣隙配合處發生變形,且右側限位螺釘突出量為0.135 mm,突出量較大。經與主機溝通,產品在試驗過程中接受了階躍信號,當伺服閥通階躍信號時,銜鐵將與導磁體上限位螺釘撞擊發生變形。因此,電液伺服閥零位超差的原因為限位螺釘突出量大,使伺服閥工作時銜鐵與之撞擊發生變形,引起力矩馬達氣隙不對稱,電氣零位發生偏移,導致伺服閥零偏異常。

圖6 銜鐵變形測試結果

4.2 改進措施

在電液伺服閥裝配過程中,可通過調整限位螺釘突出量進行改進。調整后使用投影顯微鏡檢查限位螺釘的突出量為0.06±0.02 mm,滿足要求,這樣可以保證產品接收到階躍信號時銜鐵不變形且不吸死。圖7為限位螺釘凸出量改進措施示意圖。

圖7 改進措施示意圖

5 試驗驗證

為驗證故障定位的準確性與改進措施的有效性,需制定試驗驗證方案并開展試驗驗證,如圖8所示。

圖8 銜鐵變形測試試驗

(1) 調整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,給定電液伺服閥額定電流階躍信號,反復工作100次,電液伺服閥銜鐵未與限位螺釘發生碰撞,性能正常。

(2) 調整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,對電液伺服閥隨導葉控制裝置進行功能性能試驗,試驗發現電液伺服閥及導葉控制裝置性能正常。

(3) 調整電液伺服閥限位螺釘突出量為0.06±0.02 mm后,使電液伺服閥及導葉控制裝置隨發動機進行3 h 37 min試車,電液伺服閥及導葉控制裝置性能正常,發動機工作正常。

6 結 語

對某型導葉控制裝置電液伺服閥的外場零偏故障進行了分析與試驗驗證,開展了電液伺服閥零偏故障的影響因素研究,將導葉控制裝置與各零部件的故障有機聯系在一起,找出了導葉控制裝置可能失效的狀態,建立了電液伺服閥零偏故障樹。通過故障樹梳理出的底事件的分解檢查,以及對電液伺服閥零偏電流的檢測,定位了零偏故障原因為限位螺釘突出量過大。通過調整限位螺釘突出量,保證產品接收到階躍信號時銜鐵不變形且不吸死。試驗結果驗證了電液伺服閥零偏異常故障原因定位準確、改進措施有效。