某液壓頂升裝置故障分析及仿真驗(yàn)證

米雙山，付久長，韓翠娥

(軍械工程學(xué)院四系，河北石家莊050003)

在裝備的維護(hù)和封存中，維護(hù)人員常需要將車輛頂起，使用傳統(tǒng)的手動千斤頂進(jìn)行頂升，不僅無法滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場對裝備快速維護(hù)的需要，而且會消耗維護(hù)人員的體力。液壓頂升裝置的出現(xiàn)替代了傳統(tǒng)的手動頂升。該頂升裝置不僅降低了維修保障人員的勞動強(qiáng)度，而且提高了工作效率。由于液壓頂升裝置主要用于大型設(shè)備的頂升，所以頂升過程中的穩(wěn)定性就顯得至關(guān)重要。液壓頂升裝置是否穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到維修保障能否順利開展，關(guān)系到裝備和維修人員的安全。

作者對某型液壓頂升裝置在出廠調(diào)試時出現(xiàn)的故障進(jìn)了理論分析及仿真驗(yàn)證，并提出了故障解決方案，最終取得了良好的效果。

1 液壓頂升裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

液壓頂升裝置實(shí)物如圖1所示，主要包括油箱、動力組、疊加閥組、油管、兩個三級液壓缸、承載裝置小推車，其中，動力組包括電機(jī)、齒輪泵和手動泵。

圖1 液壓頂升裝置實(shí)物

液壓頂升裝置液壓原理圖如圖2所示。當(dāng)需要頂起裝備時，向右扳動三位四通換向閥，電機(jī)帶動主泵通過濾油器從油箱中吸入液壓油，經(jīng)單向閥、三位四通手動換向閥的左位、液控單向閥、左側(cè)單向節(jié)流閥的單向閥后同時進(jìn)入兩個三級液壓缸的下腔，推動活塞逐級向外伸出，進(jìn)而將裝備頂起。同時，三級液壓缸上腔油液經(jīng)過右側(cè)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥、手動換向閥左位流回油箱，完成裝備的頂升過程。在電機(jī)損壞、主泵損壞或系統(tǒng)斷電的情況下，可由操作者操作手動泵完成上述頂升操作。

圖2 液壓頂升裝置原理圖

當(dāng)需要裝備回位時，向左扳動三位四通換向閥的操作手柄，主泵輸出的油液經(jīng)過單向閥、手動換向閥的右位，一部分通過右側(cè)單向節(jié)流閥的單向閥進(jìn)入三級液壓缸的上腔，另一部分進(jìn)入液控單向閥的控制油口，使其閥芯開啟?；钊趬毫τ秃脱b備自重的作用下逐級收回。同時，三級液壓缸下腔的油液經(jīng)過左側(cè)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥、液控單向閥和手動換向閥的右位流回油箱，完成裝備回位。調(diào)整左側(cè)單向節(jié)流閥的開口大小即可調(diào)整裝備的下降速度，使得裝備能夠平穩(wěn)下降。

2 液壓頂升裝置故障分析及仿真驗(yàn)證

2.1 液壓頂升裝置故障現(xiàn)象

液壓頂升裝置的執(zhí)行元件為三級液壓缸。理論上，多級液壓缸在伸出時，應(yīng)該按照活塞的有效工作面積由大到小依次伸出(即按照一級缸、二級缸、三級缸的順序伸出)，收回時按照活塞有效工作面積由小到大依次收回。但該液壓頂升裝置在出廠調(diào)試時，三級液壓缸在伸出過程中會隨機(jī)出現(xiàn)二級缸先于一級缸伸出的情況。在進(jìn)行頂升試驗(yàn)時，若二級缸先伸出，裝備在被逐漸頂起時會出現(xiàn)二級缸突然收回的現(xiàn)象，與此同時一級缸突然伸出，整個三級液壓缸總高度下降，裝備隨之下落。由于頂升裝置的負(fù)載多為重型裝備，頂升的無預(yù)兆突然下降不僅可能對裝備造成損傷，而且嚴(yán)重威脅到現(xiàn)場工作人員的安全。

2.2 頂升故障理論分析

下面對液壓頂升裝置的這一故障現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，以找出可能的故障原因。

首先對液壓頂升裝置進(jìn)行初步檢查。根據(jù)頂升裝置壓力表的顯示，頂升裝置供油壓力并不存在問題，而且3 個液壓缸都能伸出和收回。由此初步判斷，頂升裝置的供油回路沒有問題。故障應(yīng)該出在三級液壓缸上。通過檢查三級液壓缸發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)并不存在問題，故排除結(jié)構(gòu)故障。下面對三級液壓缸在伸出過程中的受力進(jìn)行分析，以找出影響三級液壓缸伸出順序的因素。

當(dāng)三級液壓缸在正常狀態(tài)下順序伸出時，一級缸伸出并帶動二、三級缸上升(一級缸行程內(nèi))，此時整體受力為:

(m1+ m2+ m3)g + FC01= pπ(D1/2)2×106

其中:FC01為外缸筒與一級缸密封摩擦力(N)，計(jì)算公式為:FC01= fΔpπ(D1b1k1+ D2b2k2)×106(標(biāo)準(zhǔn)公式，公式內(nèi)各值含義不再贅述);

Δp=p－p1，p1為出油口壓力，這里默認(rèn)為0，所以Δp=p;

m1、m2、m3為分別為一、二、三級油缸的質(zhì)量(kg);

p 為進(jìn)油口壓力(MPa);

D1、d1分別為一級缸的外徑和內(nèi)徑(m)。經(jīng)計(jì)算可以得出:在正常情況下，當(dāng)三級液壓缸進(jìn)油口壓力達(dá)到0.032 MPa 時，三級液壓缸即可正常伸出。

故障情況下，一級缸未發(fā)生移動，二級缸伸出并帶動三級缸向上移動，這里以二級缸和三級缸為整體進(jìn)行受力分析:

式中:FC12為一級缸與二級缸密封摩擦力(N);

D2為二級缸外徑(m)。

經(jīng)計(jì)算，在故障情況下，三級液壓缸進(jìn)油口壓力為0.041 5 MPa。在此情況下，一級缸受力為:

將進(jìn)油口壓力p 代入上式對一級缸進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)，一級缸兩端受力已不再平衡，即:

理論情況下，一級缸應(yīng)該向上移動，但故障的實(shí)際情況是一級缸并未發(fā)生移動，即一級缸仍處于受力平衡狀態(tài)。所以只有FC12減小或FC01增大才能出現(xiàn)這種情況。這里進(jìn)行極限假設(shè)，將FC12的值減小到最小值0，發(fā)現(xiàn):

顯然，此情況下一級缸仍會向上運(yùn)動。因此，只有當(dāng)FC01增大時，才能保持故障狀態(tài)即一級缸靜止不動。經(jīng)計(jì)算，此時的FC01為574 N。顯然，這已超過三級液壓缸密封環(huán)摩擦力的正常值。所以，故障很可能是由于三級液壓缸的一級缸與外缸筒之間的密封圈造成的。

2.3 頂升裝置故障仿真驗(yàn)證

通過理論分析，基本確定了頂升裝置的故障原因。為了對理論分析進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步研究故障機(jī)制和故障發(fā)生過程，作者使用仿真軟件AMESim 建立了液壓頂升裝置的仿真模型(如圖3所示)，并進(jìn)行了仿真。

圖3 液壓頂升裝置仿真模型

圖4 顯示了無故障的頂升裝置三級液壓缸的位移曲線，可以看出:在正常情況下三級液壓缸各缸會逐級伸出，到達(dá)各自的伸出極限后，停止運(yùn)動。同時，三級液壓缸的下一級缸要比上一級缸的運(yùn)動速度更快。

圖4 頂升裝置三級液壓缸位移曲線

經(jīng)理論分析，初步認(rèn)定頂升裝置的故障是因?yàn)橥飧淄才c一級缸之間密封圈摩擦力過大造成的。作者對頂升裝置進(jìn)行故障仿真，設(shè)定頂升裝置的外缸筒與一級缸之間的摩擦力分別為96.7，336，574，812 N。圖5 和圖6 分別為一級缸和二級缸在以上4 種摩擦力作用下的位移曲線，可以看出:當(dāng)摩擦力超過574 N時，一級缸前59 s 無動作，二級缸先于一級缸伸出。由于二級缸油腔面積小，所以故障狀態(tài)下三級液壓缸初始伸出速度要快于正常狀態(tài)下的伸出速度;當(dāng)t =59.8 s 時，一級缸快速伸出，同時二級缸收回。仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象一致。從圖6 可以看出:三級液壓缸頂升高度下降了0.047 m，雖然下降不多，但由于重型裝備的慣性力，0.047 m 的突然下降足以對裝備造成嚴(yán)重影響。一、二級缸的仿真曲線對頂升裝置的故障進(jìn)行了再現(xiàn)，同時表明:一級缸與外缸筒密封圈摩擦力過大的確是造成頂升裝置故障的原因。

圖5 一級缸位移曲線

圖6 二級缸位移曲線

下面，通過對三級液壓缸負(fù)載壓力和進(jìn)油口壓力的仿真，進(jìn)一步研究故障發(fā)生的內(nèi)部機(jī)制。

由圖7 可以看出:當(dāng)二級缸開始對裝備進(jìn)行頂升時，負(fù)載壓力逐漸上升。這也就造成了如圖8所示的三級液壓缸進(jìn)油口壓力的上升。三級液壓缸進(jìn)油口壓力的上升增大了一級缸的推力，一級缸在較大的推力作用下克服了靜摩擦力與自重迅速伸出。一級缸的快速伸出導(dǎo)致整個進(jìn)油口的壓力迅速下降，圖8 的仿真結(jié)果證明了這一分析。由圖8 可以看出:故障情況下，當(dāng)進(jìn)油口壓力到達(dá)峰值后，迅速下降。因此導(dǎo)致支承負(fù)載的二級缸在沒有足夠壓力支承的情況下，迅速被負(fù)載壓下。正是二級缸油腔內(nèi)液壓油被壓回并迅速補(bǔ)充到一級缸的油腔內(nèi)，才使一級缸在系統(tǒng)流量沒有發(fā)生改變的情況下具有如此快的伸出速度。三級液壓缸進(jìn)油口壓力反映了故障發(fā)生瞬間進(jìn)油口復(fù)雜的壓力變化，解釋了液壓頂升裝置故障的發(fā)生機(jī)制和發(fā)生過程。

圖7 三級液壓缸負(fù)載壓力曲線

圖8 三級液壓缸進(jìn)油口壓力曲線

經(jīng)理論分析及仿真驗(yàn)證，確定一級缸與外缸筒摩擦力過大是造成故障的原因。通過返廠更換密封圈并嚴(yán)格把關(guān)三級液壓缸的裝配，液壓頂升裝置故障得到排除。

3 結(jié)論

通過對液壓頂升裝置的理論分析及仿真驗(yàn)證，確定頂升裝置的故障原因?yàn)橥飧淄才c一級缸密封圈摩擦力過大，同時證明了理論分析與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的液壓系統(tǒng)故障診斷方法的可行性。雖然在簡單液壓系統(tǒng)中，這種方法的成本和時間優(yōu)勢并未能很好地體現(xiàn)，但是對于大型復(fù)雜液壓系統(tǒng)和拆卸困難易損的液壓設(shè)備，此方法卻具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

【1】王軍，宋正臣.ZL50G 型裝載機(jī)動臂提升緩慢故障分析及排除［J］.液壓與氣動，2010(4):70－72.

【2】黃志堅(jiān)，吳百海.液壓設(shè)備故障診斷與維修案例精選［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

【3】于志榮，李金珂.步進(jìn)梁式加熱爐液壓故障分析及解決方案［J］.液壓與氣動，2010(4):80－81.

【4】冀宏，梁宏喜，胡啟輝.基于AMESim 的螺紋插裝式平衡閥動態(tài)特性的分析［J］.液壓與氣動，2011(10):80－82.