船用液壓系統(tǒng)平衡閥的應(yīng)用和系統(tǒng)故障排除

湯傳春

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰214400)

0 引言

液壓驅(qū)動(dòng)由于其輸出扭矩大、調(diào)速性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在船用甲板機(jī)械諸如錨纜機(jī)系泊機(jī)械、克令吊、艙蓋啟閉等液壓系統(tǒng)中。這些甲板機(jī)械的起升、旋轉(zhuǎn)、變幅等機(jī)構(gòu)，在帶載下降過(guò)程中均存在由于自重而超速下行的風(fēng)險(xiǎn)，因此在液壓系統(tǒng)回路中必須設(shè)置能產(chǎn)生一定背壓的液壓元件即平衡閥，以限制和調(diào)整負(fù)載部件的下落速度，保證負(fù)載在任意位置上被制動(dòng)，確保設(shè)備平穩(wěn)、可靠運(yùn)行。通常平衡閥是由順序閥和單向閥組合而成，在順序閥的閥體內(nèi)并聯(lián)裝設(shè)單向閥，并在控制油路中設(shè)置相應(yīng)的阻尼，以確保控制過(guò)程平穩(wěn)無(wú)沖擊。

甲板機(jī)械液壓系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，船員缺乏專(zhuān)業(yè)的維護(hù)能力，出現(xiàn)故障的頻率較高。這些故障隱蔽性強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)手段有限且癥狀和原因重疊和交叉，對(duì)于設(shè)備維修人員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)要求較高。為此，本文從平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理、平衡回路在船用機(jī)械液壓系統(tǒng)中的作用、典型液壓平衡回路系統(tǒng)故障的成因和解決方法等方面進(jìn)行研究，為相關(guān)船用設(shè)備系統(tǒng)的維護(hù)、修理和調(diào)試提供借鑒。

1 平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 板式平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

FD型平衡閥主體結(jié)構(gòu)采用了液控單向閥節(jié)流設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1—閥體；2—主閥芯；3—先導(dǎo)體；4—控制閥芯；5—阻尼閥芯；6—阻尼孔；7—主閥腔；8—主閥彈簧腔；9—控制活塞彈簧腔；A—油口(接閥側(cè)壓力油)；B—油口(接工作負(fù)載，油缸或油馬達(dá))；X—控制油接入口；M—測(cè)壓口；T—回油口。

當(dāng)液流從A至B時(shí)，其控制油口X不工作，壓力油只需克服主閥芯彈簧的壓緊力，便將主閥芯2打開(kāi)，油液通過(guò)打開(kāi)的閥口實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)。此工況條件下平衡閥具有單向閥的功能，可以確保當(dāng)與A口相連的管路突然爆裂或者系統(tǒng)換向閥切換至中位等情況下，主閥芯在油腔8的負(fù)載油壓和彈簧的共同作用下直接關(guān)閉。由于錐形主閥芯與閥座形成線(xiàn)密封，可以達(dá)到接近于零泄漏的截止?fàn)顟B(tài)，這樣可使運(yùn)行中的負(fù)載安全定位，不至于突然墜落。

當(dāng)液流從B至A時(shí)，由于負(fù)載油壓和彈簧力的共同作用，主閥芯2處于關(guān)閉狀態(tài)，油路處于截?cái)酄顟B(tài)；要使液流從B到A實(shí)現(xiàn)反向流動(dòng)，必須將主閥芯2打開(kāi)。此時(shí)，從系統(tǒng)回路中分流引出的控制油壓通過(guò)油口X作用在控制閥芯4上；當(dāng)建立起足夠的控制壓力，由于與X口連接的阻尼口的作用，緩慢推動(dòng)控制閥芯推動(dòng)先導(dǎo)體3，使其離開(kāi)閥座，油腔8內(nèi)的壓力通過(guò)先導(dǎo)體開(kāi)啟的開(kāi)口與油口A相連，使腔8卸壓，進(jìn)而推動(dòng)主閥芯開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)液壓油從B流向A口。設(shè)置先導(dǎo)件3可以大大減小控制壓力，使其控制壓力與油口B的負(fù)載壓力之比低于1∶20，同時(shí)先導(dǎo)件3、阻尼閥芯5和阻尼孔6共同作用以確保打開(kāi)主閥芯過(guò)程中的穩(wěn)定性，避免高壓封閉回路壓力突然釋放，產(chǎn)生較大液壓沖擊和噪聲[1]。

1.2 插裝式平衡閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

CB型插裝式平衡閥是一種在中小流量船舶液壓系統(tǒng)中廣泛使用的閥件，安裝方便，可靠性、穩(wěn)定性高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1—主閥芯；2—主閥座；3—主閥芯彈簧；4—閥套；5—控制彈簧；6—調(diào)節(jié)螺栓；C—油口，先導(dǎo)口接控制油；B—油口，自由口接主壓力油；A—油口，負(fù)載口接工作負(fù)載。

當(dāng)液流從油口B至油口A時(shí)，先導(dǎo)油口C處無(wú)控制油壓進(jìn)入油腔，主閥座處于靜止?fàn)顟B(tài)。由于主閥芯彈簧較軟，壓力油能夠克服此彈簧力推動(dòng)主閥芯右移，液流通過(guò)打開(kāi)的閥口實(shí)現(xiàn)油口B和油口A的連通。該工況條件下該閥呈現(xiàn)單向閥特性。

當(dāng)液流從油口A至油口B時(shí)，由于壓力油和彈簧力的共同作用，主閥芯處于反向截止?fàn)顟B(tài)。油口C通入控制油的壓力作用在主閥座橫截面上。當(dāng)控制油壓力大于控制彈簧的設(shè)定壓力值時(shí)，主閥座便被推動(dòng)往左移動(dòng)，油口A和油口B接通。

2 平衡閥在船舶液壓系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 平衡閥在錨纜機(jī)液壓平衡回路中的應(yīng)用

船舶錨纜機(jī)的錨鏈在收放過(guò)程中，由于其自重或者系統(tǒng)內(nèi)液壓元件內(nèi)泄而導(dǎo)致錨鏈存在自行快速下落的風(fēng)險(xiǎn)，因此在液壓馬達(dá)的回路中設(shè)置能夠產(chǎn)生一定背壓的平衡閥塊，以確保液壓馬達(dá)系統(tǒng)及時(shí)鎖止，保證在錨鏈下放過(guò)程中其速度穩(wěn)定可控。

當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，由于換向閥選擇H型或Y型等中位機(jī)能，平衡閥控制油路沒(méi)有壓力，平衡閥處于關(guān)閉狀態(tài)，錨機(jī)液壓馬達(dá)被系統(tǒng)油壓牢牢地鎖止在靜止位置。當(dāng)換向閥處于起升檔位工作時(shí)，液壓油直接通過(guò)平衡閥油口將單向閥打開(kāi)后進(jìn)入到液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)輸出扭矩帶動(dòng)錨鏈上升，回油直接通過(guò)換向閥流回油箱。當(dāng)換向閥處于下放檔位工作時(shí)，液壓油進(jìn)入液壓馬達(dá)，同時(shí)從壓力油路引流的控制壓力油作用在平衡閥控制油口處，利用控制油壓將平衡閥中的順序閥閥口打開(kāi)，回油通過(guò)打開(kāi)的閥口，液壓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)下放錨鏈。平衡閥內(nèi)部閥口開(kāi)度越大，錨鏈下行速度越快。當(dāng)錨鏈下放速度過(guò)快后，導(dǎo)致馬達(dá)驅(qū)動(dòng)腔供油不足而失壓，平衡閥也因失壓導(dǎo)致閥口開(kāi)度變小甚至關(guān)閉，錨鏈下降速度變慢甚至停止，達(dá)到防止液壓馬達(dá)失速的目的。

2.2 平衡閥在克令吊液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

平衡閥在克令吊的變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓系統(tǒng)回路中均有應(yīng)用。根據(jù)各個(gè)機(jī)構(gòu)的功能和需求的不同，平衡閥在系統(tǒng)中承擔(dān)的作用也有所不同。本文以某船軟管吊液壓原理圖為例進(jìn)行分析，其圖見(jiàn)圖3。

1—變幅油缸；2、5、9、10—平衡閥；3、7—制動(dòng)油缸；4、8—液壓馬達(dá)；6、11—梭閥；L1、L2—?dú)んw泄露油口。

(1)起升機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)采用液壓機(jī)械聯(lián)合制動(dòng)回路，通過(guò)剎車(chē)油缸和平衡閥的雙重作用制動(dòng)液壓馬達(dá)，平衡閥則依靠自身閥芯關(guān)閉的密封效果防止液壓馬達(dá)逆轉(zhuǎn)。在提升和下放過(guò)程中，液壓油在推動(dòng)馬達(dá)的同時(shí)均通過(guò)梭閥給剎車(chē)油缸供油，解除馬達(dá)的制動(dòng)；同時(shí)在負(fù)載下行過(guò)程中，由于平衡閥可以在回路中形成一定的背壓，以阻止負(fù)載因自重而快速下落，起到限速保護(hù)的作用。

(2)變幅機(jī)構(gòu)的液壓平衡回路中平衡閥的作用是：當(dāng)換向閥在中位時(shí)，平衡閥保證吊臂在任何位置不因自重而下落；該閥塊安裝在油缸本體上，即使系統(tǒng)管路發(fā)生破裂，也能確保吊臂安全。所以，該閥在此系統(tǒng)中被稱(chēng)為防爆閥。

(3)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)受到驅(qū)動(dòng)負(fù)載和運(yùn)動(dòng)速度的影響。當(dāng)其從運(yùn)動(dòng)到突然靜止或換向切換的過(guò)程中，由于負(fù)載部件慣性大，傳動(dòng)齒輪會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊和振動(dòng)。為了消除或減少液壓沖擊，在系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)油路中設(shè)置雙向平衡閥，依靠平衡閥的自鎖和節(jié)流的特性，使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在停車(chē)或換向前能夠預(yù)先減速，達(dá)到緩沖的目的。

3 平衡閥在船舶液壓系統(tǒng)中常見(jiàn)的故

障及排除

3.1 某船自卸臂拉伸油缸不下落

3.1.1 故障現(xiàn)象

某改裝船自卸系統(tǒng)在調(diào)試的前期階段，自卸臂的抬升油缸伸出和縮回動(dòng)作都很正常，但數(shù)次操作后，抬升油缸出現(xiàn)回縮而不能伸出的故障。

3.1.2 排查過(guò)程

對(duì)自卸臂抬升液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電磁換向閥的電磁鐵通電后，系統(tǒng)的壓力油進(jìn)入油缸的無(wú)桿腔，同時(shí)分流的控制油將有桿腔回路中的平衡閥打開(kāi)，確保有桿腔的液壓油通過(guò)平衡閥，繼而再通過(guò)單向節(jié)流閥和換向閥后流回油箱，拉升油缸完成回縮動(dòng)作。

首先對(duì)電磁換向閥進(jìn)行檢查，手動(dòng)操作電磁閥兩端的推桿，閥芯在閥體內(nèi)動(dòng)作靈活無(wú)卡滯，彈簧復(fù)位正常，故障現(xiàn)象依舊，排除電磁換向閥不工作的可能性。后期對(duì)電磁線(xiàn)圈的電壓和阻值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果均顯示正常，進(jìn)一步排除電路控制系統(tǒng)的故障。抬升油缸在將自卸臂拉升至一定高度后靜置一段時(shí)間，自卸臂并未下滑，可以推斷出抬升油缸完好。通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)壓力為28 MPa左右，不存在控制油壓不足而無(wú)法有效推動(dòng)打開(kāi)平衡閥內(nèi)部閥芯的可能性。

通過(guò)查閱圖紙可知，該閥結(jié)構(gòu)型式與FD型平衡閥類(lèi)似，但控制活塞的泄油方式不同。FD型平衡閥為外控內(nèi)泄式，此閥為外控外泄式，其控制活塞的背壓腔L與油箱相連，見(jiàn)圖4。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，控制活塞能否正常運(yùn)作取決于控制油壓的大小及背壓腔油液的正常泄放，排除第一種可能性后，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)背壓腔L與油箱的管路中球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，將其打開(kāi)后，抬升油缸故障消失[2]。

1—控制活塞；2—主閥芯；3—先導(dǎo)閥芯；K—控制油接入口；L—泄漏油接入口；P1—壓力油進(jìn)口；P2—壓力油出口。

3.1.3 故障原因

該平衡閥控制活塞為外控外泄式，控制活塞與閥體為間隙密封，正常工作時(shí)會(huì)有油液通過(guò)縫隙進(jìn)入活塞的背壓腔。由于泄放閥被關(guān)閉，導(dǎo)致液壓油越聚越多形成背壓，阻礙控制活塞的運(yùn)動(dòng)，因此系統(tǒng)在調(diào)試初期動(dòng)作正常，操作次數(shù)變多后故障發(fā)生。

3.2 某船右食品吊液壓絞車(chē)故障

3.2.1 故障現(xiàn)象

在負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，某船食品吊起升后的配重物在換向閥回中位后出現(xiàn)快速下墜的故障。

3.2.2 排查過(guò)程

該絞車(chē)液壓馬達(dá)回路為液壓機(jī)械聯(lián)合制動(dòng)回路。在換向閥不操作時(shí)，負(fù)載的制動(dòng)主要依賴(lài)剎車(chē)油缸內(nèi)部的彈簧及摩擦片產(chǎn)生的機(jī)械制動(dòng)和平衡閥自鎖性能。從剎車(chē)油缸系統(tǒng)和平衡閥兩方面排除上述故障的原因。首先對(duì)剎車(chē)油缸系統(tǒng)進(jìn)行排除，在不操作起升機(jī)構(gòu)換向閥的情況下，將剎車(chē)油缸的控制油管拆除后悶妥，操作變幅機(jī)構(gòu)的換向閥，利用變幅油缸將配重塊小幅度頂升離地，配重塊仍舊出現(xiàn)快速下落的情況?；谙侣渌俣龋膳袛嗥胶忾y出現(xiàn)故障的可能性較大。

3.2.3 故障原因

對(duì)平衡閥進(jìn)行解體發(fā)現(xiàn)，閥塊內(nèi)部的閥套裝配出現(xiàn)錯(cuò)誤(見(jiàn)圖5)，導(dǎo)致該閥失去了鎖止的作用，僅靠剎車(chē)油缸提供不了足夠的制動(dòng)扭矩。

圖5 閥芯安裝圖

3.3 某船克令吊回轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出齒磨損的故障

3.3.1 故障現(xiàn)象

某船3#克令吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)馬達(dá)齒輪磨損嚴(yán)重。

3.3.2 排查過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)檢查齒輪與齒圈之間的潤(rùn)滑脂加注正常，基本排除潤(rùn)滑不良造成的磨損。操作回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和停車(chē)階段，尤其是停車(chē)階段，克令吊上塔體來(lái)回劇烈晃動(dòng)，齒輪與回轉(zhuǎn)軸承齒圈存在嚴(yán)重的撞擊。當(dāng)克令吊在裝卸貨物等負(fù)荷較大的情況下撞擊更為嚴(yán)重，基本可以判斷該現(xiàn)象是造成齒輪異常磨損的原因。

3.3.3 故障原因

查閱系統(tǒng)原理圖(見(jiàn)圖6)可知，該回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中設(shè)置雙向平衡閥。通過(guò)對(duì)平衡閥進(jìn)一步的解體發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部的彈簧出現(xiàn)斷裂，失去鎖止和緩沖的功能。

1—液壓馬達(dá)；2—換向閥；3、4—平衡閥；5、6—安全閥。

更換新的彈簧并調(diào)節(jié)螺栓設(shè)定合適的彈簧預(yù)緊力后，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，撞擊現(xiàn)象消失。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶液壓設(shè)備及其平衡液壓系統(tǒng)故障具有很強(qiáng)的隱蔽性，在充分理解平衡回路具有自鎖和限速功能的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)不同的故障現(xiàn)象仔細(xì)排查，有助于快速找出故障原因并提出解決方法。

在實(shí)際使用過(guò)程中，影響平衡閥正常工作的因素較多。作為技術(shù)人員應(yīng)該熟悉掌握其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理，才能應(yīng)對(duì)不同的技術(shù)故障并予以解決。