双喷嘴挡板伺服阀常见故障分析及对策

双喷嘴挡板伺服阀常见故障分析及对策

郭谦 ,胡亚州 ,王龙飞 ,郝光辉

国能河北定州发电有限责任公司  河北 定州  073000

 摘要：本文从双喷嘴伺服阀的工作原理出发，详细地分析了伺服阀常见故障产生的原因，并针对故障现象，提出了判定及处理方法，为电液控制系统的故障分析和处理提供依据。

关键词：电液控制系统、伺服阀、喷嘴、挡板、故障分析

一、  概述

控制理论及电子技术的飞速发展对传统的液压控制系统产生了巨大的冲击，同时也为电液控制系统的发展带来了生机。电液控制系统以计算机作为控制器，以液压系统作为执行器。电液控制系统中实现电液信号转换的核心元件是伺服阀，它接收控制系统来的指令信号并转化成液压信号控制执行机构动作。它是电液调节系统中的一个关键部件，要求具有较好的精度，线性度、灵敏度和良好的动态特性。伺服阀按其结构分为喷嘴挡板式和射流管式，目前绝大多数采用的是双喷嘴挡板伺服阀。本文将针对双喷嘴挡板伺服阀的常见故障进行分析。

二、  伺服阀的工作原理

伺服阀按其结构分为前置级和功率级（见图示）。

前置级由力矩马达、喷嘴挡板、反馈杆等组成，用于接收控制器来的信号并转化成液压信号推动功率级的阀芯运动。功率级由阀芯、阀套等组成，阀芯在前置级的推动下运动，打开阀口，使伺服阀输出流量。力矩马达由线圈、衔铁、挡板、永磁铁等组成。当力矩马达的线圈上有电流作用时，在两旁磁场的作用下，产生一个旋转力矩，使衔铁旋转，并带动与之相连的挡板发生偏转。挡板伸到两个喷嘴中间，在正常稳定工况时，挡板两侧与两个喷嘴的距离相等，使两侧喷嘴的泄油面积相等，则两侧喷嘴前的油压相等。当有电信号输入，衔铁带动挡板转动时，则挡板移近一只喷嘴，使这只喷嘴的泄油面积变小，流量变小，则喷嘴前的压力变高；而对侧的喷嘴与挡板间的距离变大，泄油量增大，则喷嘴前的压力变低。这样就将原来的电信号转变为力矩而产生机械位移信号，再转变为油压信号，并通过喷嘴挡板系统将信号放大。挡板两侧喷嘴前的油压，与功率级滑阀两端的腔室相通。因此，当两个喷嘴前的油压不等时，则滑阀两端的油压不相等，产生压差，滑阀在压差作用下产生移动，使阀芯阀套间的阀口打开。压力油便可以经过阀口到负载（如油缸的一腔），负载回来的油（如油缸的另一腔）也经过另外的阀口到回油。为了增加调节系统的稳定性，在伺服阀中设置了反馈杆。反馈杆为弹性元件，当阀芯移动时，同时带动反馈杆移动，反馈杆移动后又将挡板拉回原来的中间位置，使挡板与两侧喷嘴的距离相等，两侧喷嘴前油压相等，作用在滑阀两端的油压也相等，滑阀便停在某一位置保持不动，伺服阀就形成了稳定的输出。

伺服阀工作原理方框图

当作用在线圈上的信号发生变化时，又使衔铁转动，改变挡板与两侧喷嘴间的距离，在阀芯两端形成压差，使阀芯移动到新的平衡位置，伺服阀产生新的输出。就这样，作用在线圈上的电子信号与阀芯位置，也就是伺服阀的输出，建立了一一对应的关系。

三、  伺服阀的常见故障及分析

伺服阀作为电液控制系统的核心元件，直接决定着整套系统的性能。对伺服阀的故障现象做出及时准确的分析和判定，对于维护控制系统的稳定运行有着极其重要的作用。

伺服阀的常见故障有：卡涩、粘结、腐蚀和振荡。

1、卡涩

卡涩占伺服阀全部故障的 80%以上，可以说是伺服阀最常见的故障。伺服阀是十分精密的液压元件，任何细小的颗粒都有可能引起伺服阀发生卡涩。故此，液压油的清洁度是保证伺服阀正常工作的关键，通常要达到 NAS5 级水平。伺服阀发生卡涩故障后，流量单边输出。即不管信号如何，始终向一个方向输出流量，使油缸负载单方向运动到底。

伺服阀的卡涩通常发生在前置级而不是功率级。因为功率级阀芯阀套之间的间隙为 0.002mm，一般的颗粒是无法进入其中的，再小的颗粒进入其中后也不至于与阀芯两端压差形成的液压力相抗衡。而前置级的喷嘴与挡板之间的间隙为0.02mm 左右，一旦有颗粒卡在一个喷嘴和挡板之间，就会造成两个喷嘴前的压力不等，形成压差，推动阀芯向一个方向运动，使伺服阀产生单边流量输出。因喷嘴与挡板之间通过固体颗粒相接触，电流信号产生的力矩无法改变喷嘴与挡板之间的距离，所以作用在伺服阀上的电流信号变化也无法实现对伺服阀的控制。伺服阀出现卡涩故障以后，需返厂检修，修好后的伺服阀性能与新伺服阀

相当。如果一台机组频繁出现伺服阀卡涩现象，应化验抗燃油的颗粒度指标并根据化验结果加强滤油。

2、粘结

粘结故障发生在伺服阀的阀芯与阀套之间，表现为阀芯动作不灵活。当伺服阀接收到小的信号时，阀芯不动作，伺服阀没有流量输出；当信号增大到一定程度时，阀芯突然动作，造成系统冲击和振荡。发生粘结故障的伺服阀是因为在阀芯与阀套之间存在凝胶状的沉淀。这种类似胶水状的物质把阀芯和阀套粘在一起，增加粘滞阻力，使阀芯动作不灵活。拆开伺服阀，可以发现阀芯上有浅黄色的胶状物，时间长了以后胶状物会结晶成固体。这种凝胶状的沉淀是抗燃油污染的结果。当抗燃油中的金属离子超标时，金属离子与抗燃油中的酸根发生反应，形成凝胶状金属盐沉淀。凝胶物质随抗燃油进入到系统，停留在过滤器、伺服阀等位置，引起 EH 系统发生故障。金属离子主要来源于空气和不良的除酸介质。电厂周围的环境分布着大量的工厂和农田，空气中的金属离子含量比较高。金属离子随空气进入油箱，溶解于抗燃油中。另外，传统的除酸介质硅藻土和氧化铝在除酸过程中，会是否钙、铁、钠、镁等金属离子到抗燃油中。根据国外的标准，抗燃油中金属离子的含量应低于 10ppm。因为凝胶状金属盐呈胶状，普通的过滤器无法去除，使用离子交换树脂过滤器可以吸收金属离子，分解凝胶状沉淀。

3、腐蚀

伺服阀的流量输出由阀芯凸肩控制的阀口来保证。以常用的 MOOG76 系列伺服阀为例，全流量时阀芯位移仅为 0.4mm，液压油通过阀口的流速要高达 100m/s以上。阀口必须长期承受高流速的冲击。当抗燃油的电阻率降低时，会对阀芯凸肩的尖角产生电化学腐蚀。在高速流体的冲刷下，使凸肩被侵蚀，伺服阀的泄漏量增大。根据试验，当阀芯凸肩被腐蚀掉 0.1mm 后，伺服阀的内泄可达 20L/min，远大于 1L/min 的指标。当伺服阀发生腐蚀后，内泄增大，系统发热量增加，控制精度降低。根据经验，电阻率低是伺服阀发生腐蚀的一个重要条件。控制好抗燃油的电阻率对于防止出现伺服阀腐蚀故障具有重要作用。通常，伺服阀发生腐蚀故障会在整套系统中的多个伺服阀上同时出现。伺服阀发生腐蚀以后，必须更换阀芯阀套或更换新伺服阀。

4、振荡

伺服阀接收电流信号并产生流量输出，一个稳定的信号作用在伺服阀上时，伺服阀就应该输出一个稳定的流量。但有时伺服阀会出现振荡故障。当电流信号加在伺服阀上时，阀芯不是停留在某一固定位置，而是发生高频振荡，使伺服阀的输出流量也发生变化。从伺服阀工作原理方框图上可以看出：伺服阀的振荡是发生在由线圈输出的力矩到阀芯位移的闭环反馈当中。这个反馈是通过反馈杆实现的，当反馈杆的弹簧管刚度变小时，会造成闭环系统不稳定，使伺服阀发生振荡。当伺服阀发生振荡故障后，输出流量不稳定，会引起整套电液控制系统发生振荡而无法实现控制。出现电液控制系统振荡以后，首先要排除控制系统的故障，当控制信号夹带交流分量、线圈接地、位移传感器干涉等问题均会引起伺服阀振荡。伺服阀长期工作在振荡状态，易引起弹簧管疲劳，发生伺服阀振荡。同时，抗燃油电阻率低会对弹簧管进行腐蚀，引起伺服阀振荡。出现弹簧管疲劳损坏以后，因其弹力不足，造成力矩马达的衔铁吸单边，需整套更换力矩马达。

四、  结论

通过对双喷嘴挡板伺服阀常见故障的现象和机理的分析，可以进一步了解伺服阀的性能，指导今后的使用。在实际应用中，我们可以根据故障现象判明故障原因，以便采取针对性的措施：当伺服阀出现卡涩故障后，就要提高液压油的清洁度；当伺服阀出现粘结故障后，应检测液压油中的金属离子含量并采取措施；当伺服阀出现腐蚀故障后，就要分析液压油的理化性能，采取相应对策；当伺服阀出现振荡故障后，会引起整套控制系统振荡，应及时消除故障。

参考文献

[1]王爽心 葛晓霞.汽轮机数字电液控制系统，ISBN7-5083-2060-3

[2] 代云修 张灿勇.汽轮机设备及系统，ISBN7-5083-3742-5

作者简介：郭谦（1967），高级工程师，研究方向：汽轮机调节系统。