电液伺服机构贮存延寿技术研究

方 鼎，金 阳，汤 力，王亚琪

（北京精密机电控制设备研究所，北京，100076）

0 引 言

20 世纪60 年代，电液伺服阀的开发研制迅速发展，电液伺服系统开始成为伺服机构主要选用类型，因其功率大、结构紧凑等特点，在航天、航空领域广泛应用。近年来，随着电液伺服机构贮存寿命到期，电液伺服机构的贮存延寿研究成为亟需课题。迄今为止，国内外对元器件、原材料的加速贮存寿命试验已经有一些研究成果和应用信息，但对整机的加速贮存寿命试验情况却很少报道。传统的加速试验方法的关键是找准加速应力。根据产品的组成、薄弱环节、工作原理及功能的不同，首先要选择准确的加速应力，再以恒定应力加速寿命试验、步进应力加速寿命试验或序进应力加速寿命试验开展相应加速试验。由于电液伺服机构是集机械、电子、液压于一体的复杂产品，其配套的不同专业领域的元件、组件和零件的加速试验应力量级水平差异较大，难以开展以伺服机构整机为试验对象的加速贮存试验研究，一般只选取各专业领域有代表性元组件进行加速贮存试验方法的研究，但这种方法缺少对伺服机构整机的加速贮存寿命的认识。

1 整机在长期贮存下性能分析

整机在自然贮存过程中，会受到温度、湿度、振动、冲击、盐雾、油雾、霉菌等环境因素的影响。理论上，无论产品在包装箱内或已上舱状态，由于整机验收时采取了“三防”措施，受盐雾、油雾、霉菌等影响较小，且整机在正常量级的振动和冲击条件也不会有损伤；唯独温度和湿度的影响不可忽视，故这里仅分析整机性能受高温、低温、高湿的影响情况。

a）高温。

高温环境会使液压油液的粘度减小，当油液在回路中流动时，会加剧电机、油泵的磨损，使得伺服整机的动态特性变差，严重时可能会造成活动部位的卡涩现象；会加速非金属材料和元器件的老化，引起伺服阀的包胶融化等。

b）低温。

低温环境时密封胶料变脆，密封性能变差，严重的漏油漏气现象可能导致整机功能失效。所以在贮存过程中，对低温环境有严格控制，一般不会有太大的实际影响。

c）高湿。

高湿贮存，会影响绝缘材料的性能；传感器的非金属材料部分膨胀变形，体积电阻下降；伺服壳体表面产生锈蚀和霉变，影响外观。

通过对自然贮存时间不同的整机子样进行外观检查和性能测试发现，排除自身故障原因，随着自然贮存时间的延长，伺服机构整机出现的主要问题有：壳体锈蚀、绝缘电阻下降、漏油漏气、电位器线性度超差等。

从统计数据来看，在自然贮存中出现故障的整机情况与理论分析基本一致。壳体锈蚀问题在贮存问题中较为突出，这是因为金属壳体表面镀层脱落，壳体表面暴露在高温高湿环境引发锈蚀，但不影响整机性能。其他问题虽然在整机上出现比例不高，但究其原因，还是整机上的零组件受贮存环境影响性能下降所导致的，一般零组件的性能下降到一定程度才能在整机上有所体现，这就要求对整机上零组件随贮存时间的性能变化规律有更深入的了解。

2 电液伺服机构的结构组成

电液伺服机构是集机械、电子、液压于一体的复杂产品，其上应用了大量属于不同专业领域的元组件和零件，包括伺服电机、油泵、伺服阀、反馈电位计、压力传感器、油面电位计、各类活门、多种密封件及非金属材料等。电液伺服机构的结构示意如图1 所示。

图1 电液伺服机构结构示意Fig.1 Electro-hydraulic Servo Mechanism Structure

为便于分析贮存环境对伺服机构零组件的影响，将电液伺服机构的零组件分为4 种类型：

a）金属结构件。

1）蓄能器：系统的辅助能源，维持系统压力稳定；

2）油箱：用于贮存和向系统提供所需的油液；

3）作动筒：用于操纵负载，实现推力矢量控制。

b）监测传感器。

1）压力传感器：用于监测系统压力；

2）油面电位计：用于监测系统油面；

c）影响整机性能的元组件。

1）伺服电机：带动油泵转动，实现电能转换到机械能；

2）油泵：使低压油变为高压油，将机械能转换为液压能；

3）伺服阀：将接收的小指令电流，变化或放大成一定功率的高压流量，进入作动筒中实现活塞杆的伸缩运动；

4）反馈电位计：把机械位移转换成电压输出的传感元件，参与反馈控制；

5）各类活门：控制系统压力平衡，确保系统安全。

d）密封件。

用于防止工作介质泄漏及外界的气体、尘埃进入液压系统，包括用于静止和移动的橡胶密封圈、聚四氟乙烯与橡胶的复合密封装置等。

3 元件在长期贮存下的性能分析

电液伺服机构随着贮存时间的延长，其在环境温度、湿度、振动、压力、通电测试等敏感条件的作用下，必然造成其零组件及非金属材料性能、可靠性的下降，加之伺服机构每年4 次的例行测试，每台的年工作时间约在2~3 h。这必然加剧了元件受贮存环境的影响，导致伺服机构的性能和可靠性较初始状态有一定程度的降低。

金属结构件在长期贮存下有较强的耐环境能力，壳体和机加零件除外表面部分镀层脱落出现霉锈情况外，无影响产品性能的缺陷；用于状态监测的压力传感器及油面电位计，其自身性能虽略有下降，但作为监测装置并不影响伺服机构的性能，故重点分析影响性能的零组件和密封件在长期贮存下的性能变化情况。

a）伺服电机。

伺服电机是电液伺服机构的动力元件，由直流电源供电，将电能转换为机械能，驱动负载泵为伺服机构提供动力能源。伺服电机一般主要由定子（包括壳体、磁极）、电枢（包括电枢绕组、换向器等）、电刷装置3 部分组成。其中，电枢为多种金属零部件及绝缘材料的组合，是影响电机主要电气性能的组件。

一般认为，电枢中金属组成部分在长时间贮存时性能不会发生明显变化，只有组成电枢的绝缘材料（如漆皮、浸渍漆、绝缘漆、绝缘布等）会随长时间贮存发生老化。随着贮存时间加长，伺服电机电枢的支撑轴承内润滑脂会挥发或干涸，轴承在无润滑条件下运转，摩擦力矩增大。对于轴承而言，容易造成疲劳破坏，转动不灵活；对于电机而言，力矩增大，造成电流增大，温升提高。而温升是电机中蜗卷弹簧的敏感因素，直接影响弹簧的工作可靠性，严重时甚至造成电机烧毁。长期贮存的电机还存在定子磁钢脱粘、转子换向器磨损问题。电刷长期使用带来的磨损，会造成电刷与电枢不同程度的接触不良，降低电机使用可靠性甚至烧毁。

决定电机性能的主要参数有负载力矩、转速等。通过对贮存时间不同的电机子样进行跟踪测试发现，随着自然贮存时间的延长，电机性能均有一定程度的下降。电机性能在不同贮存时间的复测数据如表1 所示，从子样的复测数据来看，电机的负载力矩随贮存时间延长而增大，转速随贮存时间延长而降低，实测数据与理论分析中电刷的磨损情况相符。其中，电机在第15 年开始性能变化程度变大，可能与此时电枢支承轴承处于无润滑状态相关。

表1 电机性能在不同贮存时间的复测数据Tab.1 Retest Data of Motor Performance at Different Storage Times

b）油泵。

油泵在长期贮存和使用条件下，油泵内每个柱塞杆在座中和在柱塞中的总轴向间隙值因磨损变大。泵芯上柱塞组件的轴向间隙反映了柱塞组件的收口质量，收口质量是影响柱塞泵工作可靠性的重要因素，良好的收口质量是油泵可靠工作的必要条件，柱塞收口部位发生拉脱会导致柱塞泵功能失效。柱塞杆在座中的间隙和柱塞杆在柱塞中的间隙，是衡量收口质量的重要指标：首先要求柱塞杆和座之间，以及柱塞杆和柱塞之间的球面副应该可以灵活运动，不应该出现卡涩或抱死，同时为保证泵的工作寿命和可靠性，间隙值不能过大，因此需要将间隙值控制在一定范围内。随着工作时间的累积，摩擦副必然会不断磨损，导致柱塞组件的轴向间隙变大。

除上述影响外，油泵的漏油问题也是液压伺服产品在长期贮存中常遇到的问题。这是由于油泵结构中存在多种密封形式，油泵的机械密封副属接触式密封，油泵工作时动环随着传动轴高速旋转，与静环产生相对高速转动，接触面形成油楔，在离心力作用下阻止油液从动环的外侧流向内侧，实现动密封作用。随贮存时间的加长，密封件会出现不同程度的老化，表现为密封性能下降，严重的漏油还会导致油泵工作失效。

在同一压力和转速条件下，油泵的额定流量可以表征油泵性能的好坏。假定给油泵14 MPa 的工作压力，通过对贮存时间不同的油泵子样进行复测，贮存时间越长的油泵，其额定流量下降程度越大，油泵额定流量在不同贮存时间的复测数据如表2 所示。

表2 油泵性能在不同贮存时间的复测数据Tab.2 Retest Data of Oil Pump Performance at Different Storage Times

c）伺服阀。

伺服阀是电液伺服机构的核心控制元件，它将小功率的电信号转换为阀芯的运动，再由阀芯的运动去控制流向液压伺服作动器的高压液流方向和流量大小，从而带动伺服作动器的活塞杆按照预定的指令作快速、准确的运动。伺服阀磁钢性能会随时间有所下降，这将直接影响伺服阀的性能，引起衔铁组件的综合刚度的提高，造成伺服阀的动态性能下降，流量增益下降，零位发生变化；另一方面，由于伺服阀工作时阀芯的磨损，会导致伺服阀静耗量增大，伺服阀静耗量的大小直接影响伺服机构整机大速度持续能力。上述2 项性能的变化会对伺服机构整机动态性能会造成不同程度影响。从伺服阀子样的复测数据来看，随着贮存时间的加长，伺服阀的流量增益有所下降，零偏有所增大，部分数据已超出技术要求，作为伺服整机的核心部件，直接影响到整机的性能和可靠性。

表3 伺服阀性能在不同贮存时间的复测数据Tab.3 Retest Data of Servo Valve Performance at Different Storage Times

d）反馈电位计。

反馈电位计由电阻组件和刷握组件组成。电阻组件上电阻膜是用石墨粉、石英粉、树脂等材料混合后经过喷覆而成，经过长期贮存和使用，由于阻膜磨损和非金属材料的变化，造成线性度的变化较大。反馈电位计的线性度直接影响到伺服机构整机位置特性中线性度。刷握组件由于长期处于受压状态，使得电刷产生塑性变形，自由高度变小，导致压缩量减小。按照压缩量Δ=自由高度-压缩后高度的计算方法，其中，压缩后的高度受机械位置限制为固定值。某型号使用的刷握组件在长期受压状态压缩量减小了50%，已大大低于设计要求。工作时电刷的压缩量过小，产品耐振性变差，工作可靠性降低。

反馈电位计作为闭环控制中数据的采集元件，其线性度直接影响控制的精度。从长期贮存的复测数据来看，反馈电位计在长期贮存使用中，阻膜磨损对其线性度影响较大，继而对伺服整机的跟随精度有一定的影响。

表4 反馈电位计在不同贮存时间的复测数据Tab.4 Retest Data of Feedback Potentiometer Performance at Different Storage Times

e）各类活门。

电液伺服机构上的活门主要包括：高压安全阀、旁通阀、低压安全活门、溢流活门等，其基本结构由阀体、阀芯、弹簧、锁紧结构、密封件组成。

活门的压力调节依靠内置弹簧，活门弹簧在非工作状态一般会施加预紧力保证活门的开关状态的稳定。长期贮存和使用条件下，部分活门出现弹簧弹力下降，活门开启压力降低等问题。通过复测数据来看，弹簧弹力下降的程度与活门的弹簧丝粗细及有效圈数相关，越细越长的弹簧丝在长期受压的情况下，其弹力下降程度越大，且出现弹簧并圈和失效的可能性也越大。在弹簧失效的情况下，阀芯会产生窜动，活门的开启状态会出现紊乱或关闭不严的问题，这直接影响整机的工作状态。

表5 不同弹簧在不同贮存时间的弹力值数据Tab.5 Elastic Value of Different Springs at Different Storage Times

f）密封件。

电液伺服机构上采用了多种尺寸密封件及相当数量种类的密封件，每种密封件因其胶料、使用环境的不同，其随整机贮存期的加长而老化程度也不同，但均表现为密封性能下降，存在漏油漏气问题。

国内外对密封胶料已有较成熟的加速贮存方法，参考GJB92-86《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则》，通过高温加速老化的材料性能，外推贮存温度下的材料性能，获取胶料和制品在长期贮存过程中材料性能退化规律，建立材料性能在不同老化应力水平下随贮存时间的等效关系，以此确定密封件的贮存年限。通过在加速老化过程中分阶段检测橡胶材料性能参数，材料性能参数包括：压缩永久变形、拉伸强度、扯断伸长率、断裂永久变形、硬度。发现上述的加速贮存试验的结果与自然贮存结果基本一致。要注意的一点是，伺服机构在产品的贮存过程中，密封件同时接触氮气和红油介质，试验应同时考虑2 种介质环境。

4 贮存延寿措施及试验验证

在对伺服机构各组成元件及外购件的贮存研究中发现，部分元件存在着性能下降、超差和一些不可靠环节，这些都是影响产品整体性能可靠性的薄弱环节，必须施加一定的返修措施加以弥补，才能合理、可靠地将伺服机构的贮存期延长。而有些元件如金属壳体等，受环境因素影响较小，在长期贮存条件下仍可以使用，保留下来继续使用，则会节约成本，缩短生产周期，也更有利于环保效益。

a）伺服电机。长期贮存的电机出现定子磁钢脱粘，部分电枢出现换向器严重磨损、电枢表面粘接件开裂、电枢轴承挡直径小于轴承孔等问题，因此电机的延寿措施为更换电刷、轴承、弹簧、定子，并检查转子和分流器，视情更换新品。

b）油泵。油泵应分解检查，计量杆在柱塞中的间隙和杆在座中的间隙值；对转子进行荧光探伤，确认转子表面无裂纹，更换其上密封件、弹簧，推研机械密封动静环摩擦副表面，及转子和分油盘摩擦副表面，重新装配后进行性能测试，测试合格即可使用。

c）伺服阀。对伺服阀的延寿措施，首先应复测伺服阀空载流量曲线和静耗量曲线，筛选合格范围内的伺服阀产品，由于伺服阀上金属零件属于高精密机加零件，加工难度大，机加周期长，且长期贮存对金属零件影响较小，所以在保证质量的前提下，应尽量对伺服阀的金属零件进行重复利用，但仍需用放大镜观察滑阀棱边、壳体节流窗口、壳体主孔等部位，应无塌边、缺损等缺陷。在将合格的金属零件进行清洗后，更换磁钢、阀芯等重新装配和调试，经测试合格即可。

d）各类活门。活门的阀体同样属于金属零件，在长期贮存下经外观检查合格可继续使用，仅需更换活门的弹簧，重新配阀芯，复测活门的泄漏量和开启关闭压力即可。

基于可靠性和经济效益的双重考虑，对上述4 个影响整机性能的元件落实延寿措施后，其他薄弱环节的元组件建议直接更换新品。完成上述延寿措施后对产品重新进行性能测试。从性能测试结果来看，经过返修后的整机在线性度、定点速度、动态特性指标上均有较大的提升，且通过环境寿命试验考核，验证了贮存延寿措施的有效性。

5 结束语

通过对某型号电液伺服机构试验数据分析，得到产品性能随贮存时间变化的普遍规律和失效机理，并研究出针对性能变化普遍规律及个别情况的技术措施和实施程序，消除产品的薄弱环节，确保伺服机构可靠性，且将返修后的元组件重新装回整机进行测试，测试结果较返厂复测有较大改善。由此可知上述研究的延寿措施可合理地将伺服机构延寿使用，同时为电动液压伺服机构性能变化规律的研究进行了有益的探索。另一方面，本文首次对贮存到期的电液伺服机构的各元组件长期贮存后的可靠性进行研究，通过试验辨识出伺服机构上的薄弱环节，如：柱塞泵收口间隙变大、活门的细丝弹簧性能下降、伺服电机磁钢脱胶等问题，对电液伺服机构上各元组件随贮存时间的性能变化的认识有较大的提高。且为具有相似结构的电液伺服机构的应用和寿命评定提供了有效依据。