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。

MOOG30系列伺服閥的工作壓力可達21MPa，流量可達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伺服閥出現的流量單邊輸出故障進行分析。

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．故障現象

MOOG30系列伺服閥曾經出現過流量單邊輸出故障，具體表現為：當伺服閥控制執行機構運動時，不論給伺服閥加上正向或反向電流，執行機構都向同一方向運動，直至活塞碰缸。

將伺服閥裝在試驗臺進行空載性能測試，出現下列異常現象：

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，而正常值應為供油壓力的一半左右。

2)閥的內泄漏量小于82mL/min，而正常值應為小于等于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關系：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、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構，如圖3所示。高壓油p_s經過閥內過濾器分流到兩個固定節流孔R₁、R₂，再分別流過兩噴嘴擋板之間間隙形成的可變節流R₃、R₄，最后匯總經過回油阻尼孔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，橋路中間點壓力p_c1、p_c2為左、右兩噴嘴前的壓力，其壓差推動滑閥運動。

在伺服閥初調時，操作者通過改變R₃、R₄的液阻，即調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。當輸入某一控制電流時，力矩馬達電磁力矩的作用使擋板產生位移，液阻R₃、R₄發生反向變化，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，滑閥產生位移，通過反饋桿反力矩作用，使橋路到達新的平衡位置，伺服閥輸出相應的流量。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的關系。

從故障現象上看，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，閥的內泄漏量小于82mL/min也證明了這一點。從空載流量曲線上看，當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，而當伺服閥輸入負向電流量，前置放大級壓力p_c1、p_c2發生變化，產生壓差△p_c，伺服閥有負向流量輸出，說明伺服閥的擋板在電磁力矩的作用下能向右側移動，卻不能向左側移動。當擋板向右側移動后左側產生間隙，使前置放大級壓力p_c1下降，壓差推動閥心向左側移動，伺服閥產生負向流量輸出，可以判斷該伺服閥的故障為前置級堵塞且堵塞處為右側噴嘴與擋板間，左側噴嘴與擋板靠死。

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

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

所以右側噴嘴擋板間隙被堵塞物堵塞造成了伺服閥流量負向單邊輸出的異常。

3．改進措施

伺服閥前置放大級壓力油必須經過伺服閥內部10μm的過濾器才能到達噴嘴。經過檢查，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入噴嘴的。仔細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現了與條狀堵塞物形態相似、尺寸相似的凹形缺陷。經實物拼合，確認條狀堵塞物即為右端蓋密封圈上的脫落物。

經對該伺服閥端蓋與閥體安裝實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構，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中括號內尺寸），但沒有識別標志，在實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，使端蓋密封圈槽內徑尺寸Ф11.7mm與閥體噴嘴安裝孔3.2rm邊緣產生干涉（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。當端蓋與殼體之間通過螺釘聯接緊固后，端蓋密封圈受到壓縮變形，變形后的密封圈內圈覆蓋在月牙形通道上的部分實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)由于伺服閥在調試及各項工藝試驗中工作壓力需反復在0～21MPa之間變化，密封囤月牙形的實體壓痕因被噴嘴安裝孔的孔口銳邊剪切變為擠傷，在工作中該實體最終產生脫落，進入到噴嘴孔內形成堵塞物。

針對上述故障產生的原因，提出以下改進措施；

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)將端蓋密封周槽內徑尺寸由Ф11.7mm改為Ф12.1mm且將槽口銳邊倒圓角R0.2，經計算瑞蓋與閥體裝配時密封圈槽內孔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一側寫標記，便于端蓋裝配時識別方向。

經過改進，該系列伺服閥杜絕了密封圈損壞堵塞噴嘴故障的發生。