基于加速寿命试验方法的伺服阀污染卡滞寿命分析

王洪波，黄智鹏，张向英，曹瑞康，徐悦鹏，孔祥东

(1.庆安集团有限公司，陕西 西安 710077；2.燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004)

引言

电液伺服阀一直被视为电液伺服控制系统中的重要元件，集机械、电子、磁场、流体传动、传感和控制等多学科技术于一体，对系统的静态和动态特性起着关键作用[1-3]，且有负载能力强、功率密度大、响应快、控制精度高等优点，广泛应用于航天、航空、兵器、冶金、机床、模拟实验等多个领域[4-5]。

因电液伺服阀成本较高，对伺服阀的失效模式及寿命进行优化分析就显得尤为必要。伺服阀有多种失效模式，如淤积失效、卡涩失效、冲蚀失效等，都对伺服阀寿命有决定性的影响[6-7]。设备中的控制系统非常精密，有些液压控制流道十分狭窄，对液压油的清洁要求很高[8]。而液压设备油污染问题中，固体污染最为常见。液压系统的固体油污染，会直接附着在过滤器表面造成过滤器的堵塞，产生普遍的污染卡滞问题[9]。固体颗粒污染物引起的液压系统故障占总故障的60%～70%[10]。

针对伺服阀的寿命分析问题，国内外学者均有多方面的研究。GAYAKA S等[11]利用自适应状态重建机制和自适应观察器进行电液压系统故障检测，对伺服阀使用寿命的增益有一定的帮助。ZHANG K等[12]根据EHSV失效特征，利用计算流体力学和冲蚀理论模拟出了潜在冲蚀和相应磨损率，从而得出使用寿命。YIN Y B等[13]针对阀中的颗粒侵蚀，建立数学模型模拟侵蚀过程，得到了冲蚀速率和磨损轮廓，结果表明，随着阀芯开度的变化，小颗粒的最大侵蚀率没有显著变化。褚渊博等[14]分析了影响射流管式伺服阀耐久性潜在薄弱项的失效机理,并分别进行了软件仿真和耐久性寿命计算,通过软件仿真和理论计算得出了射流管式伺服阀潜在薄弱项的耐久性寿命。高婷等[15]以电液伺服振动台的安全性、可靠性、经济性、技术性评价指标和20个二级评价指标为基础,构建了电液伺服振动台寿命评价指标体系，该方法能有效地评价电液伺服振动台的使用寿命。由此来看，国内外的研究大都没有评估特定失效模式对寿命的影响，而依靠仿真进行模拟来计算耐久性寿命在失效模式上也缺乏相应的针对性。

按惯例测试电液伺服阀的寿命是确定其寿命的唯一方法，但是考虑到费用和周期以及不能评估特定失效模式对寿命的影响，这种方法很少实施。而采用加速试验方法，不改变电液伺服阀失效机制,通过超过参考条件所用应力水平的试验，获取试验数据，根据加速试验原理外推电液伺服阀的实际使用状态寿命，为伺服阀寿命评估提供一种方法。

1 污染卡滞加速寿命试验理论方法

1.1 污染卡滞敏感度

污染卡滞是由于小颗粒淤积在阀芯和阀套的间隙导致运动副反应迟钝引起卡滞，卡滞力等于卡滞敏感度与所有尺寸颗粒浓度乘积之和。污染卡滞敏感度是指每个颗粒卡滞力增量。颗粒浓度等于流体中的流速和颗粒浓度的乘积。变量之间的数学表达式为：

(1)

式中，Sj——相对于第j颗粒尺寸等级的元件污染卡滞敏感度

nj(t)——j尺寸等级污染颗粒的浓度(单位体积内的数量)，mg/L

Qj(t)——流过间隙的流量，L/s

t——静置时间，s

j——下标，表示颗粒的尺寸范围等级

Fj(t)——j尺寸等级污染颗粒引起的卡滞力，N

污染卡滞模型关键参数是卡滞力Fj(t)，而与系统流量没有太大关系。式(1)可以写成增量形式:

ΔFj(t)=SjQj(t)nj(t)Δt

(2)

卡滞污染敏感度通过试验获取，试验必须采用标准的试验粉尘，并且为了得到不同尺寸颗粒的污染敏感度，将全尺寸的试验粉尘(0～100 μm)加工为采低切粉尘，尺寸变为0～5 μm，0～10 μm，……，0～80 μm 等多个尺寸段。

第一次试验：在干净的油液中按量配比加入0～5 μm的粉尘，可以得到污染的0～5 μm粉尘初始浓度n1；在流量为Q1(t)、静置时间为Δt的条件下，测得增加的驱动力为F1(t)，由式(2)得到0～5 μm尺寸段的污染卡滞敏感度为：

(3)

第二次试验：在第一次基础上，加入0～10 μm的粉尘，0～10 μm的颗粒造成的磨损是由0～5 μm和5～10 μm 2个段的颗粒叠加而成，所以最终增加的卡滞力也为0～5 μm和5～10 μm的颗粒分别造成的，即得到5～10 μm尺寸段的污染卡滞敏感度为：

(4)

依次类推，加入第j次试验的粉尘，则污染敏感度为Sj：

(5)

1.2 污染卡滞寿命

在污染卡滞试验中，假定流体类型、压力、流速和黏度等操作条件相同，那么影响污染使用寿命的2个最重要的变量是污染物浓度和颗粒尺寸，在实际使用中，通过污染物的持续进入和油滤的过滤作用，停留在元件中的平均污染物分布近似恒定。因此，粒径分布保持在如下所示的恒定水平条件下：nj(t)=nf，j

则将式(2)整理为T函数，即元件污染卡滞使用寿命为：

(6)

式中,T——污染卡滞使用寿命，s

ΔFT——T时间增加的卡滞力，N

Ql——阀的泄漏量，L/s

nf,j——j尺寸等级污染物的浓度，mg/L

1.3 污染卡滞加速因子

根据式(6)，提高污染物浓度，不改变污染物分布状况，可以用来进行污染卡滞加速试验。我们定义实际使用状态为“field”，加速试验时定义为“test”，则两种状态下的污染卡滞寿命分别是Tfield，Ttest，将两式相除即为加速因子：

(7)

在加速寿命试验分析中，最大允许卡滞力增加量ΔFT在实际使用状态和加速试验状态保持不变，污染敏感度系数Sj是产品本身属性，实际使用状态和加速试验状态保持不变，则有：

(8)

式(8)中，分子是基于特定产品在实验室通过加速试验方法测试；分母代表在实际使用中获取的两者相同的灵敏度系数条件下获得的正常寿命值，唯一不同的是前者考虑了较低颗粒浓度时的情况。因此，如果加速寿命试验中使用的每一尺寸段的污染物浓度是实际使用状态的α倍，则式(8)可以简化如下：

(9)

很明显，加速因子AF是加速水平条件下与实际使用条件下的浓度比。

2 伺服阀污染卡滞寿命试验案例

2.1 加速寿命载荷谱

综合上述分析，确定电液伺服阀的加速寿命载荷谱如下：

关键参数：根据污染卡滞的机理分析，污染卡滞造成卡滞力增加，对产品的关键性能参数是死区，确定初始值为1%；

加速应力：污染颗粒的浓度水平，对于精密航空伺服阀，加速试验浓度要高于正常运行工况的7～10倍，推荐浓度水平为每一次较低的切割试验粉尘，30 mg/L。

试验时间：根据经验推荐，每一次浓度水平较低的切割试验粉尘的静止时间为120 s。

2.2 加速寿命试验分析

按照上述加速寿命载荷谱进行试验，使用某公司激光颗粒测量仪器HS-778进行油液污染物浓度测试，如图1为测试设备。

图1 油液污染物浓度测试设备Fig.1 Oil pollutant concentration test equipment

测试完油液污染物浓度后，又通过设备对电液伺服阀进行死区等静态特性的测量，如图2所示为测量电液伺服阀死区试验。

图2 电液伺服阀死区测量试验Fig.2 Dead zone measurement test of electro-hydraulic servo valve

试验数据如表1所示，第二列为加速试验推荐浓度水平30 mg/L下各尺寸段污染物颗粒的浓度，第三列为加速试验中记录的死区数值，第四列为性能衰减死区增量。

表1 伺服阀污染卡滞试验数据表Tab.1 Data table of servo valve pollution stuck test

2.3 污染敏感度计算

根据式(5)计算伺服阀污染卡滞敏感度，如表2所示。

表2 油液污染卡滞敏感度Tab.2 Stagnation sensitivity of oil contamination

3 伺服阀污染卡滞寿命

3.1 与现场条件拟合分析

假设现场条件的油液清洁度等级为GJB420B 6级，可知污染度等级采用的尺寸分别大于1，5，15，25，50，100 μm，与试验用到的0～5 μm，5～10 μm等并不匹配，需要进行数据拟合才可以得到任意尺寸的颗粒含量，拟合结果如表3所示。

表3 拟合后GJB420B 6级尺寸范围颗粒数Tab.3 Number of particles in GJB420B 6-level size range after fitting

根据电液伺服阀的实际使用情况，某伺服阀寿命末期死区增加了4.879%，依据公式(6)计算在GJB420B 6级油液污染度下伺服阀的污染卡滞工作寿命为9584 s。

(10)

3.2 其他污染度等级下伺服阀的污染卡滞寿命评估

GJB420B中每提高一级污染度等级，颗粒浓度翻1倍，例如六级的颗粒浓度是五级颗粒浓度的2倍，九级是六级颗粒浓度的8倍。依据式(6)，可以直接利用拟合好的六级的颗粒浓度来推算其他等级的颗粒浓度，然后计算不同污染度等级下伺服阀的寿命。

表4 不同污染度等级下伺服阀的寿命Tab.4 Life of servo valves under different pollution levels

4 结论

(1) 分别建立了不同尺寸段颗粒污染物下，伺服阀的污染卡滞敏感度数学模型、元件污染卡滞使用寿命数学模型，确定了污染卡滞加速因子，即加速水平条件下与实际使用条件下的污染颗粒浓度比。进一步依据加速寿命试验方法，选取不同污染卡滞浓度下的死区增加量作为评价伺服阀性能参数，估算不同污染等级下的工作寿命。

(2) 试验结果表明，因油液污染导致的污染卡滞会使伺服阀寿命极大降低，因此,在实际使用中，要严格控制油液污染度，定期进行检查、清洗，以保证产品的使用寿命。