角度伺服阀芯阻力矩的测试与研究

　　0 引言

　　在新型三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节中[1]，伺服阀芯的转动是由步进电机直接驱动的，其基本结构如图1所示。伺服阀芯采用转阀结构，主要出于以下考虑:(1)在使用步进电机作为电—机械转换器构成角度伺服阀芯时，由于电机本身作旋转运动，省去了旋转—直线运动的转换机构，传动机构大为简化;(2)由于转阀的输出位移为R.θ，因而阀口的面积梯度可以设计得很小，以实现微小流量的控制。

　　转阀有它的优越性，但在转动过程中不可避免的存在摩擦阻力，这就需要选择合适的步进电机以驱动伺服阀芯转动。而阻力矩究竟有多大，又如何确定，成为该液压伺服关节结构设计的前提，因此有必要对伺服阀芯转动阻力矩进行测试。

　　1 理论分析

　　由于阀芯与阀套之间采用间隙配合，其摩擦阻力很小，因此阀芯转动阻力主要由密封圈与阀芯之间的摩擦力决定(此处选用O形圈密封，见图2)。

　　O形圈密封时，在密封处产生的摩擦力f与有效接触压力成正比[2],即

式中:µ——O形圈与阀芯之间的摩擦系数，与密封表面润滑状态有关;

　　Pe——O形圈与阀芯接触面间的有效接触压力(MPa)，与O形圈断面直径、断面压缩率、材料硬度等因素有关;

　　d ——阀芯直径(mm);

　　b —— O 形圈与阀芯接触面有效宽度(mm);

　　从上式可以看出,O 形圈与阀芯间的摩擦力受多种因素的影响。由于O形圈材质、摩擦系数、压缩率等因素难以确定，摩擦力的计算比较困难，因此要比较准确地确定摩擦力的大小，目前只能借助于实验。

　　2 实验研究

　　2.1 测试原理

　　摩擦力是与运动性能有关的特性，动密封的摩擦力分为静摩接力(始动摩擦力)和动摩擦力两种。静摩擦力受多种因素影响，测量误差较大，测量值只能作为参考;与之相比，动摩擦力能获得较稳定的、有重要意义的测量值[3]。

　　一般来说，动摩擦力随工作压力、压缩量、材料硬度、接触面积的增大而增大，随表面光洁度、转动速度、温度等的提高而减少[4]。因此实验应在特定断面直径、橡胶硬度、阀芯表面光洁度、停留时间及安装方式等条件下进行O形圈试件的工作环境及工作状态尽量模拟实际使用工况，以使测定值尽量接近真值。液压系统原理如图3所示。

　　2.2 测试方法

　　考虑到本实验的具体要求，在测量时采用支反力法[5]。支反力法是根据作用在动力机械(伺服阀芯)上的转动扭据来测量支座反作用力矩(O 形圈阻力矩)的。根据理论力学原理，取伺服阀为分离体，假设其只通过阀芯及O形圈与外界有力矩的联系。当阀芯处于稳定状态时，作用在O形圈上的阻力矩与作用在阀芯上的转动扭矩应该保持平衡，即 Mf=Mm。因此，只要测得转动扭矩，就可确定 O 形圈阻力矩。为了能够比较准确地确定O形圈阻力矩，在阀芯上装有力臂为 L 的扳手，由 KL-0.25型测力计通过扳手带动阀芯转动，因此只要测得扳手端部的拉力 F 就可以确定该压力下的阻力矩 Mf:Mf=F·L。