液壓缸內(nèi)泄在線快速判斷方法及應(yīng)用

劉慶濤

（本鋼板材煉鐵總廠，遼寧 本溪 117000）

目前，國內(nèi)檢測液壓缸內(nèi)泄的方法主要有：專用測試裝置法，需要將被測試的液壓缸運(yùn)送到實驗室，在專用實驗臺上測試［1-2］；外部加負(fù)載法，在活塞桿上作好位置標(biāo)記，檢查活塞桿的位置是否隨時間變動；盲板或堵頭法，將油缸的一腔堵死，給另一腔加壓，檢測被堵腔的壓力，若壓力上升則說明內(nèi)泄［3］。以上幾種研究方法的缺點是拆卸繁瑣，工作量大，檢測時間長，偏差大，無法準(zhǔn)確定量。國外對液壓缸內(nèi)泄問題只是給出了一些結(jié)論，而沒有說明具體的檢測方法［4］。所以，研究一種在線快速、準(zhǔn)確、定量判斷液壓缸內(nèi)泄的方法非常必要。

1 液壓缸結(jié)構(gòu)

液壓缸為單活塞桿雙作用液壓缸，是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，其工作原理是基于密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率，將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成工作機(jī)構(gòu)的機(jī)械能，用來實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動或小于360°的擺動［5］。液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Simplified Diagram for Structure of Hydraulic Cylinder

2 液壓缸內(nèi)泄原因分析

液壓缸內(nèi)泄原因有三種，具體見圖2所示。

（1）活塞密封圈損壞。密封圈安裝不當(dāng)或規(guī)格型號不適合，工作壓力過大、預(yù)加載荷過大導(dǎo)致密封圈擠出密封凹槽；另外，環(huán)境溫度過高也能造成密封圈老化開裂。見圖2（a）。

（2）缸筒內(nèi)壁劃傷。缸體安裝時進(jìn)入異物或者活塞的滑動表面壓力高，引起燒結(jié)現(xiàn)象，于是缸體內(nèi)表面發(fā)生擠裂，被擠裂的金屬脫落，留在缸內(nèi)，造成傷痕。見圖2（b）。

（3）金屬活塞環(huán)嚴(yán)重磨損、疲勞斷裂，失去密封作用［6］，見圖2（c）。

圖2 液壓缸內(nèi)泄原因Fig.2 Causes Leading to Leakage inside Hydraulic Cylinde

3 液壓缸內(nèi)泄判斷方法

液壓缸系統(tǒng)簡圖見圖3。由于液壓缸活塞無桿腔面積大于有桿腔面積，根據(jù)帕斯卡原理，在同一液壓力（壓強(qiáng)）的作用下，推力與面積成正比，所以無桿腔所受的推力大于有桿腔所受的推力，致使活塞桿向外伸出，以此作為判斷液壓缸是否內(nèi)泄的依據(jù)。具體步驟如下：首先，電磁閥電磁鐵a得電，待液壓缸活塞桿向內(nèi)全部縮回后，電磁鐵a失電，電磁閥閥芯回到中位，同時，關(guān)閉截止閥A和B。然后，打開截止閥B，繼續(xù)讓電磁鐵a得電，此時觀察液壓缸活塞桿是否向外伸出，如果不向外伸出，說明液壓缸無內(nèi)泄；否則說明液壓缸有內(nèi)泄。

圖3 液壓缸系統(tǒng)簡圖Fig.3 Simplified Diagram for System of Hydraulic Cylinder

D為液壓缸活塞直徑，d為液壓缸活塞桿直徑，S1為液壓缸活塞面積，S2為液壓缸活塞桿截面積，S3為液壓缸活塞有桿腔環(huán)形面積。

則有：

F1為液壓缸活塞面積所受推力，F(xiàn)2為液壓缸活塞環(huán)形面積所受推力，P為液壓力，由帕斯卡原理：F=PS，則有：

由上式得出，在液壓力相同的情況下，液壓缸活塞所受推力與活塞有效面積成正比，液壓缸活塞桿向外伸出的推力大于縮回的拉力，即：F1＞F2。因為液壓缸活塞無桿腔有效面積大于有桿腔有效面積，如果液壓缸存在內(nèi)泄，那么有桿腔與無桿腔導(dǎo)通，有桿腔中的液壓油會從活塞與缸筒內(nèi)壁之間的間隙進(jìn)入到無桿腔，由于截止閥A處于關(guān)閉狀態(tài)，所以液壓缸活塞桿向外伸出。如果活塞桿已經(jīng)縮回到端點，處于過載保護(hù)狀態(tài)，原地不動，則說明液壓缸不內(nèi)泄。

υ缸為液壓缸運(yùn)動速度，Q為液壓缸內(nèi)泄流量（即為液壓缸流量），υ桿為活塞桿運(yùn)動速度，L為活塞桿行程，t為活塞桿整個行程運(yùn)動時間（可以通過秒表測量得到），則：

由于液壓缸速度等于液壓缸活塞桿的運(yùn)動速度，所以得出：

由式（9）可知，液壓缸內(nèi)泄流量Q與活塞桿運(yùn)動速度υ桿成正比，即運(yùn)動速度越快，液壓缸內(nèi)泄越嚴(yán)重。同理可得，液壓缸內(nèi)泄流量與液壓缸活塞桿整個行程運(yùn)動時間成反比，即活塞桿整個行程運(yùn)動時間越短，液壓缸內(nèi)泄越嚴(yán)重。液壓缸內(nèi)泄流量與液壓力P和外負(fù)載力T的大小無關(guān)，所以上述方法可用于所有液壓系統(tǒng)在線判斷［7-8］。

在具體操作過程中，首先，需要排除液壓系統(tǒng)控制元件無內(nèi)泄，然后，只要關(guān)閉被測液壓缸截止閥，根據(jù)上述公式計算單位時間內(nèi)內(nèi)泄流量Q，參照表1（機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 10205-2010液壓缸標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定），即可判斷液壓缸是否內(nèi)泄。使用滑環(huán)式組合密封時，允許內(nèi)泄流量為規(guī)定值的2倍；使用金屬活塞環(huán)密封時的內(nèi)泄流量要求由制造商與用戶協(xié)商確定［9］。

表1 雙作用液壓缸內(nèi)泄流量標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for Leakage Flow inside Double Acting Hydraulic Cylinder

4 實際應(yīng)用

本鋼新一號高爐開鐵口機(jī)懸臂液壓缸缸底與開鐵口機(jī)基座轉(zhuǎn)閥同軸連接，耳環(huán)與懸臂銷軸連接，兩個接頭均采用轉(zhuǎn)閥加硬管連接，通過活塞桿伸縮帶動懸臂在114°（±2°）轉(zhuǎn)動來完成開鐵口動作，液壓缸內(nèi)徑140 mm，活塞桿直徑100 mm，行程1 300 mm，動作時間為36 s。工作中發(fā)現(xiàn)懸臂轉(zhuǎn)動越來越慢，嚴(yán)重超時，甚至出現(xiàn)停頓和卡住現(xiàn)象，而懸臂液壓缸體積較大、空間位置狹窄，若盲目拆卸判斷故障原因，將占用大量停機(jī)時間［10］。

首先，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查，判斷系統(tǒng)壓力是否正常，確認(rèn)壓力補(bǔ)償器、比例閥、電磁換向閥、背壓閥、液壓鎖、單向閥、安全閥全無卡住和泄漏；然后，在現(xiàn)場活塞桿全部縮回狀態(tài)下拔出耳環(huán)銷軸，并且使活塞桿處于自由狀態(tài)，關(guān)閉懸臂液壓缸截止閥A，打開截止閥B。懸臂液壓缸內(nèi)泄測試示意圖見圖4。

圖4 懸臂液壓缸內(nèi)泄測試示意圖Fig.4 Diagram for Detecting Leakage inside Boom-type Hydraulic Cylinder

發(fā)出活塞桿后退指令，此時發(fā)現(xiàn)活塞桿向前伸出，速度時快時慢，分析認(rèn)為是缸筒內(nèi)壁劃傷或者溝槽不均勻?qū)е鹿慰?，證明液壓缸存在內(nèi)泄。進(jìn)一步用秒表測量出活塞桿全部伸出時間為136 s。因此，液壓缸內(nèi)泄的平均流量計算如下：

對照表1得知，液壓缸內(nèi)徑為140 mm時，內(nèi)泄量合格值為0.3 mL/min，由此可以判斷懸臂液壓缸嚴(yán)重內(nèi)泄。

液壓缸缸體容積等于缸體內(nèi)截面積與活塞桿行程的乘積，即 3.14×（0.14÷2）2×1.3=0.020 001 8 m3=20 001.8 mL

液壓缸活塞桿全部伸出時間為136 s，則內(nèi)泄總流量為：

8 824×136÷60≈20 001.1 mL

由此看出，液壓缸內(nèi)泄總流量約等于液壓缸的容積，更加證明以上論述是正確的。該方法避免了人為經(jīng)驗判斷因素的影響，無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭，大大減少液壓缸內(nèi)泄引起的停機(jī)事故和盲目處理導(dǎo)致的人力、物力、時間的浪費，能降低維修成本。同時，避免了油液外泄造成的材料浪費和對環(huán)境的污染。

5 結(jié)語

針對液壓缸內(nèi)泄檢測手段存在拆卸繁瑣，工作量大，檢測時間長，偏差大，無法準(zhǔn)確定量的現(xiàn)狀，研究了一種在線快速、準(zhǔn)確、定量判斷液壓缸內(nèi)泄的方法。該方法只需要關(guān)閉截止閥，根據(jù)公式準(zhǔn)確計算出內(nèi)泄流量，即可在線準(zhǔn)確判斷液壓缸是否內(nèi)泄。避免了人為經(jīng)驗判斷因素的影響，無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭，大大減少液壓缸內(nèi)泄引起的停機(jī)事故和盲目處理導(dǎo)致的人力、物力、時間的浪費，能夠降低維修成本，同時避免油液外泄造成的材料浪費和對環(huán)境的污染。