基于FliudSIM的數(shù)控車床液壓卡盤故障診斷與排除

曾 敏

（山西職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，太原 030006）

我國的數(shù)控車床經(jīng)歷了萌生、起步、推廣以及普及階段，已經(jīng)得到廣泛應用，逐漸成為裝備制造業(yè)的主要加工設(shè)備。山西省擁有許多裝備制造企業(yè)、液壓設(shè)備制造企業(yè)和紡機制造企業(yè)，其制造裝備均采用了大量的數(shù)控機床。目前，數(shù)控車床是數(shù)控機床中應用最廣泛的機床之一。數(shù)控車床是集機械、液壓和電氣于一體的機床，故障種類多樣，導致數(shù)控車床的維護和維修成為裝備制造企業(yè)面臨的一大難題。其中，液壓系統(tǒng)故障較常見，但較難發(fā)現(xiàn)故障原因，排除故障費時費力[1]?；谝簤悍抡孳浖﨔liudSIM，分析數(shù)控車床液壓卡盤常見的故障診斷和排除方法。

1 數(shù)控車床卡盤類型

數(shù)控車床卡盤是夾持工件的重要裝置，主要安裝于車床主軸，通過主軸旋轉(zhuǎn)帶動卡盤轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)切削作用。數(shù)控車床卡盤從結(jié)構(gòu)上可分為二爪、三爪、四爪、六爪和八爪。二爪一般在精車、磨削及分度頭銑削時使用；三爪可實現(xiàn)自動定心功能，夾持范圍大且裝夾快；四爪一般夾持方形或異形工件，防止工件變形；六爪和八爪主要夾持薄壁工件，以增大接觸面積，防止工件變形。從動力上，它可分為液壓卡盤、氣壓卡盤和手動卡盤。液壓卡盤夾持力大、裝夾快、操作方便簡單以及生產(chǎn)效率高。氣壓卡盤夾持力低，但遇斷電時可保持一定的壓力；手動卡盤通過扳手實現(xiàn)工件裝夾，適合一些毛坯料的粗加工。目前，液壓三爪卡盤的使用最普遍，具有較高的性價比[2]。

2 液壓卡盤的工作原理

液壓卡盤液壓系統(tǒng)的原理圖，如圖1所示。它由定量液壓泵、直動式順序閥、二位四通電磁換向閥、三位四通換向閥以及單桿雙作用缸固式液壓缸組成。當液壓缸液壓桿伸出時為卡盤夾緊狀態(tài)，當液壓桿縮回時為卡盤松開狀態(tài)[3]。

2.1 卡盤夾緊

卡盤夾緊過程中，進油路的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YB1通電）→三位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YA1通電）→液壓缸左腔→液壓桿伸出。

卡盤夾緊過程中，回油路的工作流程：液壓缸右腔→三位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YA1通電）→油箱。

2.2 卡盤松開

卡盤松開過程中，進油路的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YB1通電）→三位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YA2通電）→液壓缸右腔→液壓桿縮回。

卡盤松開過程中，回油路的工作流程：液壓缸右腔→三位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YA2通電）→油箱。

2.3 泵卸荷

泵卸荷的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YB1斷電）→油箱。

3 液壓卡盤未夾緊故障的診斷與排除方法

3.1 液壓系統(tǒng)故障診斷方法

使用液壓設(shè)備一段時間后需要開展定期維修，但是液壓系統(tǒng)是密閉系統(tǒng)，檢修時不允許全部拆卸系統(tǒng)所有元件來檢查與維修，應根據(jù)故障出現(xiàn)的現(xiàn)象診斷其產(chǎn)生的原因，且要求既快又準，以便于及時高效排除故障[4]。常用的故障診斷方法包括澆注油液法、直觀檢查診斷法、對比替換法、邏輯分析法、專家診斷法及智能診斷法。

3.1.1 澆注油液法

澆注油液法是指對可能出現(xiàn)故障的進氣部位澆注油液，尋找進氣口的方法[5]。

3.1.2 直觀檢查診斷法

直觀檢查診斷法是指檢修人員憑借人的觸、視、聽、嗅、閱和問來判斷液壓系統(tǒng)故障的方法。觸是指摸溫度、摸振動、摸爬行和摸松緊度。視是指檢修人員運用人的視覺判斷液壓系統(tǒng)無力、系統(tǒng)不平穩(wěn)、油液泄漏以及油液變色等故障的方法，即看速度、看壓力、看油液、看泄漏、看振動和看產(chǎn)品“六看”。聽是指檢修人員運用人的聽覺判斷液壓系統(tǒng)振動噪聲過大等故障的方法，即聽噪聲、聽沖擊和聽異常聲音（氣穴、困油等現(xiàn)象發(fā)出的異常音）“三聽”。嗅是指檢修人員運用人的嗅覺判斷液壓系統(tǒng)油液變質(zhì)、系統(tǒng)發(fā)熱等故障的方法。閱是指查閱有關(guān)故障的分析、修理記錄、日檢卡、定檢卡以及維修保養(yǎng)卡等。問是指查問設(shè)備操作人員，了解設(shè)備運行情況，主要包括問液壓泵工作是否正常、問液壓油更換時間和濾油器清洗更換時間、問事故發(fā)生前是否調(diào)節(jié)過壓力閥或流量閥或出現(xiàn)異常、問事故發(fā)生前是否更換過液壓元件、問事故發(fā)生后系統(tǒng)出現(xiàn)哪些不正?，F(xiàn)象以及問過去發(fā)生的事故是如何排除的。

3.1.3 對比替換法

對比替換法是指用一臺與故障設(shè)備相同的合格設(shè)備或試驗臺進行對比試驗，將可疑元件替換為合格元件。若故障設(shè)備能正常工作，則查找到故障；若故障設(shè)備繼續(xù)出現(xiàn)原有故障，則未查找到故障。使用同樣方法逐項循環(huán)查找故障，直到查找到故障位置。

3.1.4 邏輯分析法

邏輯分析法是指根據(jù)液壓系統(tǒng)的基本原理進行邏輯分析，排查故障發(fā)生的原因，逐步逼近直至找出故障發(fā)生部位的方法。

3.1.5 專家診斷法

專家診斷法是指在知識庫中存放各種故障現(xiàn)象、原因、原因與現(xiàn)象之間的關(guān)系。若系統(tǒng)發(fā)生故障，則將故障現(xiàn)象輸入計算機，再由計算機判斷故障原因，進而提出維修或預防措施的方法。

3.1.6 智能診斷法

智能診斷法是采用雙向聯(lián)想記憶模型儲存變元客體之間的因果關(guān)系，處理不精確、矛盾甚至錯誤數(shù)據(jù)來提高專家系統(tǒng)診斷智能水平的一種方法。

3.2 液壓系統(tǒng)常見故障

3.2.1 調(diào)試階段常見故障

調(diào)試階段的常見故障主要包括外泄漏嚴重，執(zhí)行元件運動速度不平穩(wěn)，閥類元件閥芯卡死和運動不靈活，未裝彈簧導致執(zhí)行元件動作失靈，壓力控制閥阻尼孔堵塞引起控制壓力不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)壓力失控的情況，系統(tǒng)設(shè)計不完善等。

3.2.2 運行初期常見故障

運行初期的常見故障主要包括管接頭松動，密封質(zhì)量差造成油液泄漏，污染物堵塞閥口造成壓力和速度不穩(wěn)定，油溫過高或泄漏嚴重導致壓力和速度變化。

3.2.3 運行中期常見故障

運行中期屬于正常磨損階段，故障發(fā)生率較低，主要故障表現(xiàn)為油液污染。

3.2.4 運行后期常見故障

運行后期常見故障主要包括元件失效和油液泄漏嚴重，導致效率較低。

3.2.5 運行突發(fā)故障

運行突發(fā)故障主要包括彈簧突然折斷、管道破裂、密封件撕裂以及錯誤操作工作程序等方面，多發(fā)生在液壓設(shè)備運行初期和后期。

3.3 液壓卡盤未夾緊故障的診斷與排除方法

3.3.1 故障現(xiàn)象

數(shù)控車床控制界面出現(xiàn)報警信號，即卡盤未夾緊，禁止轉(zhuǎn)動主軸。

3.3.2 故障診斷方法

（1）采用直觀檢查診斷法進行初診。①望診：液壓卡盤無速度、不執(zhí)行夾緊工作；液壓泵出口壓力表有讀數(shù)；油箱油量高于油標、液壓油黏度符合要求；各接頭、閥板接合面、油缸以及油泵等沒有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；工作臺和油管工作時沒有發(fā)生跳動現(xiàn)象。②聞診：噪聲，即油泵、液壓系統(tǒng)工作時噪聲不大；沖擊聲，即聽不到油缸換向時的沖擊聲，換向閥換向時未聽到嚴重撞擊聲；氣蝕聲，即未聽到油泵發(fā)出氣蝕聲；敲打聲，即油泵運轉(zhuǎn)時聲音正常；未聞到因液壓油發(fā)臭、變質(zhì)及橡膠件過熱而發(fā)出的特殊氣味。③問診（詢問操作人員）：更換同品牌和同黏度的液壓油，清潔過濾器濾網(wǎng)；發(fā)生事故前未調(diào)節(jié)該液壓系統(tǒng)中各類閥的壓力；發(fā)生事故前未發(fā)現(xiàn)液壓元件出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，密封良好；發(fā)生事故前，該液壓系統(tǒng)一直正常工作；一般先排除機床電氣控制方面的故障。④切診（用手摸）：油泵、閥和油管的溫度屬于正常范圍；油泵、閥和油管無振動；連接、固定、操縱、調(diào)節(jié)部位螺母以及螺栓連接正常，無松動現(xiàn)象。

（2）再次診斷。根據(jù)初診結(jié)果，再次判斷故障產(chǎn)生的原因是液壓回路問題還是電路問題。操作數(shù)控車床控制面板觀察電磁換向閥的指示燈是否正常交換。若通過操作控制面板發(fā)現(xiàn)電磁換向閥的指示燈可以正常交換，說明該液壓回路的電控部分工作正常。

（3）模擬仿真?；趦纱卧\斷結(jié)果，利用FluidSIM液壓仿真軟件模擬液壓卡盤液壓回路工作過程，進一步判斷該液壓回路故障可能產(chǎn)生的原因。FluidSIM是集電氣-液壓（氣壓）回路繪制及相應液壓、氣壓系統(tǒng)實際工作過程仿真的軟件。液壓回路設(shè)計完成后可以運用該軟件驗證設(shè)計的正確性，并演示回路的動作過程，同時提高對電氣-液壓（氣壓）回路的認識和實際故障的判斷能力。

通過模擬仿真可以發(fā)現(xiàn)，該液壓回路故障原因可能與液壓缸動作失常、電磁換向閥不換向、溢流閥壓強調(diào)節(jié)太低、柱塞泵壓強過低或無壓強等故障有關(guān)。根據(jù)模擬仿真中觀察的故障現(xiàn)象梳理產(chǎn)生故障的可能原因，主要包括：液壓泵壓強不足，即液壓泵轉(zhuǎn)向錯誤、泵內(nèi)零件磨損、油面太低以及管路密封不嚴等；溢流閥壓強調(diào)節(jié)太低，即彈簧疲勞變形、滑閥在開口位置卡死、密封不嚴以及阻尼孔堵塞等；電磁換向閥不換向，即電磁鐵吸不緊、閥芯卡住、彈簧損壞、閥體磨損以及油液黏度大等；液壓缸動作失常，即液壓缸零部件加工精度低、液壓缸剛度低、液壓缸內(nèi)泄露以及液壓缸安裝位置不當?shù)取?/p>

3.3.3 故障排除

基于模擬仿真，利用梳理的故障原因魚骨圖進行逐一排除。按下機床啟動按鈕，液壓泵出口壓強為6 MPa，溢流閥出口壓強也為6 MPa，排除溢流閥壓強調(diào)節(jié)太低的故障。雖然電磁換向閥的指示燈可以正常交換，但是否可以正常換向需要進一步拆裝檢測換向閥。

該回路中共有兩個電磁換向閥，分別為二位四通電磁換向閥和三位四通電磁換向閥。模擬仿真中可以看到，液壓油先經(jīng)過二位四通電磁換向閥再經(jīng)過三位四通電磁換向閥，最后到達液壓缸推動液壓卡盤工作。兩個電磁換向閥只要有一個不能正常換向，液壓缸就不能正常工作。

電磁換向閥由閥芯、閥體、頂桿、彈簧以及控制閥芯運動的電磁鐵組成。換向閥的作用是利用閥芯和閥體的相對工作位置改變，使得油路接通、斷開或變換油液流動方向。二位即閥芯可以運動2個位置，三位即閥芯可以運動3個位置（含1個停止位）。當電磁鐵通電時，電磁力推動頂桿和閥芯移動實現(xiàn)換向。

當拆裝三位四通電磁換向閥時，發(fā)現(xiàn)電磁鐵通電時電磁力可以推動頂桿動作，但是頂桿不能推動閥芯運動，閥芯卡在閥體里不動作，清理閥芯周圍的污物后閥芯仍未動作。考慮閥芯或閥體磨損嚴重，配合精度降低，隨即更換一個同型號的電磁換向閥，重新啟動機床后液壓卡盤可以正常工作，至此排除該故障，數(shù)控車床控制界面未出現(xiàn)報警信號。

4 結(jié)語

機床由機械傳動裝置、電氣控制部分和液壓控制部分等組成。液壓系統(tǒng)故障在機床故障中占14%，但液壓系統(tǒng)控制機床的主要部件運動屬于機床的主要部分，因此即便小故障也會影響機床運轉(zhuǎn)，進而影響機床的工作性能，可見液壓系統(tǒng)的維修非常重要。

液壓系統(tǒng)故障經(jīng)常與機械和電氣控制部分的故障交織，給故障診斷和排除帶來了很多困難。換向閥閥芯卡死導致執(zhí)行元件不能換向，屬于液壓系統(tǒng)故障中的偶然事件，且沒有規(guī)律可循。當該故障出現(xiàn)時，不一定能夠快速確定故障的部位和產(chǎn)生原因?？紤]到工作人員不熟悉該設(shè)備情況，因而查找原因更加困難。文章利用FliudSIM仿真軟件輔助工作人員診斷和排除故障，提高了故障排除的效率和精準度，可為今后液壓系統(tǒng)故障排除提供新思路。