液壓系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘 要：液壓系統(tǒng)在冶金、礦山、船舶等許多重要領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并處于核心地位。在液壓技術(shù)不斷革新的背景下，液壓系統(tǒng)日漸復(fù)雜，同時(shí)液壓系統(tǒng)的故障診斷也變得更加困難。為使學(xué)生和工程技術(shù)人員更好地掌握液壓系統(tǒng)故障診斷的技巧和方法，提出了液壓系統(tǒng)的故障模擬方案，并完成了液壓系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)臺(tái)的成功開(kāi)發(fā)不僅可以幫助從業(yè)人員認(rèn)識(shí)常見(jiàn)液壓故障現(xiàn)象，快速解決工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題，同時(shí)在深入理解液壓系統(tǒng)的工作原理及故障診斷、排除方面也具有重要意義。

關(guān)鍵詞：故障模擬;液壓系統(tǒng);試驗(yàn)臺(tái)

0? ? 引言

不同于機(jī)械設(shè)備，液壓元件及其系統(tǒng)有其特殊性，即液壓設(shè)備的元件、工作油液等大都密封在油路中，相較于機(jī)械設(shè)備具有不直觀的缺陷，此外，其工作狀態(tài)只能靠設(shè)備中僅有的壓力表和流量計(jì)來(lái)指示，不能使用電氣設(shè)備檢查參數(shù)用的萬(wàn)用表、測(cè)試筆等電子儀器。因此，液壓系統(tǒng)的故障主要表現(xiàn)出不確定因素多、隱蔽性強(qiáng)、種類(lèi)多樣、因果關(guān)系復(fù)雜、故障發(fā)生后難以查找等特點(diǎn)，且故障的突發(fā)會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)設(shè)備停工、造成重大經(jīng)濟(jì)損失等后果，因此在保障液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，如何預(yù)判故障及其征兆具有重要意義[1-2]。

1? ? 設(shè)計(jì)要求與方案設(shè)計(jì)

1.1? ? 設(shè)計(jì)要求

要求液壓系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠完成液壓泵、液壓缸、溢流閥和電磁閥等元件的故障模擬，系統(tǒng)最高壓力7 MPa，流量不小于11 L/min。

1.2? ? 方案設(shè)計(jì)

液壓泵10氣穴故障模擬：通過(guò)安裝一個(gè)懸空的吸油過(guò)濾器11.2來(lái)模擬液壓泵10的氣穴故障[3]。

液壓缸6內(nèi)外泄漏故障模擬：通過(guò)在液壓缸6的進(jìn)油口并聯(lián)一個(gè)節(jié)流閥1.3來(lái)模擬液壓缸6進(jìn)油路的外泄漏故障;通過(guò)在液壓缸6的出油口并聯(lián)一個(gè)節(jié)流閥1.5來(lái)模擬液壓缸6出油路的外泄漏故障;在液壓缸6的進(jìn)出油口之間并聯(lián)一個(gè)節(jié)流閥1.4來(lái)模擬液壓缸6的內(nèi)泄漏故障。

先導(dǎo)式溢流閥9.1內(nèi)泄漏和彈簧折斷故障模擬：溢流閥9.1進(jìn)油路加截止閥3.2來(lái)模擬溢流閥閥芯在關(guān)閉位置卡死，在其進(jìn)油路上并聯(lián)一個(gè)節(jié)流閥1.7來(lái)模擬溢流閥9.1內(nèi)泄漏和彈簧折斷故障。

電磁換向閥7內(nèi)泄漏故障模擬：利用節(jié)流閥1.6將換向閥7的P口和A口相連，來(lái)模擬換向閥7因閥芯磨損等原因?qū)е碌膬?nèi)泄漏故障。

先導(dǎo)式減壓閥5故障模擬：利用一個(gè)節(jié)流閥1.1與油箱相通，模擬先導(dǎo)式減壓閥5的遠(yuǎn)程調(diào)壓口和泄油口接通，使減壓閥5閥芯一直處于打開(kāi)狀態(tài)，故障現(xiàn)象為無(wú)法減壓，以此來(lái)模擬錐閥和閥座配合間隙過(guò)大，減壓閥錐閥彈簧折斷、漏裝，主閥芯在開(kāi)啟位置卡死等故障。

節(jié)流閥1.2故障模擬：將節(jié)流閥1.2與截止閥3.1串聯(lián)來(lái)模擬節(jié)流閥1.2的閥芯在關(guān)閉位置卡死的故障現(xiàn)象;將節(jié)流閥1.1與節(jié)流閥1.2并聯(lián)，來(lái)模擬節(jié)流閥閥芯磨損故障。

單向閥2故障模擬：將節(jié)流閥1.1與單向閥2并聯(lián)，來(lái)模擬單向閥2閥芯磨損故障。

綜合以上各方面，繪制故障模擬試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

2? ? 液壓系統(tǒng)主要元件選擇

在液壓元件的規(guī)格、型號(hào)等參數(shù)選擇方面，需要根據(jù)其在工作中的實(shí)際壓力、流量指標(biāo)來(lái)確定，此外電機(jī)功率、油箱體積等參數(shù)也需計(jì)算。

2.1? ? 液壓缸選擇

這里選取內(nèi)徑為D=63 mm、活塞桿直徑為d=45 mm的液壓缸，代入無(wú)桿腔的有效作用面積公式，得到：

A1=（π/4）×d02=（π/4）×6.32≈31.17 cm2

代入有桿腔的有效作用面積公式，得到：

A2=A1-（π/4）×d02=31.17-（π/4）×4.52≈15.27 cm2

以液壓缸伸出時(shí)的速度為2.4 m/s，計(jì)算液壓缸所需的流量：

Q=vA/η=（2.4×102×31.17/1）×10-3≈7.5 L/min

2.2? ? 液壓泵及電機(jī)的選擇

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求，泵的最高壓力為7 MPa，流量不小于11 L/min，宜選用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、流量范圍大、噪聲小的YB-A型雙作用葉片泵，其額定壓力為7 MPa，公稱排量為8 mL/r。液壓泵的輸入功率P為：

P=pq/η=（7×11）/（60×0.7）≈1.83 kW

因此選擇Y100L1-4型電機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1 430 r/min，功率為2.2 kW。

2.3? ? 液壓閥及輔助元件的選擇

故障模擬試驗(yàn)臺(tái)液壓元件明細(xì)表如表1所示。

2.4? ? 液壓油箱容積計(jì)算

本試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)壓力一般小于等于6.3 MPa，并根據(jù)qp=11.44 L/min，計(jì)算油箱的有效容積得：

V=（5～7）qp=（5～7）×11.44=57.2～80.08 L

圓整化處理，取V=80 L，一般將體積的80%視為有效的容積，因此計(jì)算得出油箱體積為V0=V/80%=80/80%=100 L。

3? ? 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算

本試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)在泵故障模擬試驗(yàn)的設(shè)計(jì)回路中效率為：

ηc=∑PQ/∑PpQp=（7.5×6.3）/（11.44×6.3）≈0.66

將各參數(shù)代入公式得，液壓系統(tǒng)總效率為：

ηc=ηpηcηm=0.95×0.66×0.9≈0.56

液壓泵的輸入功率為：

Ppi=PpQp/ηp=7×11.44/（0.95×60）≈1.4 kW

則系統(tǒng)總發(fā)熱量為：

H=Ppi（1-η）=1.4×（1-0.56）≈0.6 kW

由溫升計(jì)算公式Δt=H/kA[傳熱系數(shù)k=15 W/（m2·℃）]和液壓油箱的散熱面積公式A=0.065，可計(jì)算液壓系統(tǒng)的溫升：

Δt==≈28.6 ℃

經(jīng)過(guò)計(jì)算，此試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)的溫升在允許范圍內(nèi)，不需要加冷卻器對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行降溫冷卻處理。

4? ? 故障模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)布置

液壓系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本課題提出了液壓系統(tǒng)故障模擬試驗(yàn)臺(tái)故障模擬方案，并成功設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)可以完成液壓泵、液壓缸、溢流閥、單向閥、節(jié)流閥、換向閥、減壓閥等元件的故障模擬試驗(yàn)。本試驗(yàn)臺(tái)巧妙地利用替代的方法實(shí)現(xiàn)了在不損傷液壓元件的情況下完成各種故障模擬的試驗(yàn)，可以使學(xué)生和工程技術(shù)人員直觀地了解各種液壓系統(tǒng)的故障現(xiàn)象，掌握液壓系統(tǒng)故障診斷的技巧和方法，快速解決工程實(shí)際中遇到的問(wèn)題，對(duì)于從業(yè)人員深入理解液壓系統(tǒng)的工作原理及故障診斷、排除也具有重要意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 葛曉寧，林義忠.液壓系統(tǒng)故障診斷的研究概況與發(fā)展趨勢(shì)[J].液壓與氣動(dòng)，2008（7）：1-3.

[2] 楊啟敏，袁子榮，仲海衛(wèi)，等.液壓故障診斷技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r[C]//2000年全國(guó)流體動(dòng)力與機(jī)電控制工程及制造技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2000：11-12.

[3] 黃志堅(jiān).液壓系統(tǒng)典型故障治理方案200例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

收稿日期：2021-08-16

作者簡(jiǎn)介：王杰（1972—），女，河北黃驊人，工學(xué)碩士，教授，從事流體傳動(dòng)與控制技術(shù)的研究及教學(xué)工作。