Fishburne 液壓系統(tǒng)中的壓頭故障分析及解決方法

官振江，李智勇，劉 文

（紅塔集團(tuán)玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

0 引 言

液壓式預(yù)壓機(jī)主要用于打葉復(fù)烤生產(chǎn)線上的預(yù)壓工序，將經(jīng)過復(fù)烤后的松散煙片，在計量后壓成一定尺寸規(guī)格的煙坯，便于成品煙片的包裝、運輸。液壓系統(tǒng)是預(yù)壓機(jī)工作的核心部分，該系統(tǒng)主要由油箱、液壓泵組、控制閥組、執(zhí)行油缸、管線、過濾系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等部分組成。電控系統(tǒng)的信號控制部分用于驅(qū)動液壓動力部分中的控制閥動作。

1 故障現(xiàn)象

某車間使用的打包主壓頭在自動模式下作業(yè)，主壓頭在快速下落工作過程中出現(xiàn)主壓頭中途停止下降、懸停于半空的故障。故障出現(xiàn)后，手動操作控制桿，壓頭正常下降[1]。

2 液壓故障分析

由于液壓系統(tǒng)作業(yè)時Ⅰ號、Ⅱ號主油缸并聯(lián)使用同一套液壓回路，Ⅰ號發(fā)生主壓頭半空懸停的故障，而Ⅱ號并沒有發(fā)生主壓頭半空懸停的故障，說明在公共油路部分（調(diào)壓系統(tǒng)）是沒有故障的，結(jié)合液壓系統(tǒng)和Ⅰ號主油缸的控制部分暨主油缸電磁閥得電順序表（表1）和主油缸控制原理圖（圖1），壓頭的一個工作循環(huán)由快下、快壓、慢壓、保壓、慢上、快上和復(fù)位7 個動作來完成。

表1 Ⅰ號主油缸得電順序表

結(jié)合主油缸控制原理圖(圖1)和電磁閥得電順序表(表1)，經(jīng)過現(xiàn)場檢測：PLC 控制程序正常、SV8正常得電、D20 閥芯正常打開、D11 閥芯開啟正常。對主壓頭快速向下的過程進(jìn)行油路分析，F(xiàn)ishburne液壓系統(tǒng)采用差動連接（圖2），即把主油缸的進(jìn)油和回油連接在一起，把油缸的有桿腔油液壓回流到無桿腔，以增加主油缸往外伸出的速度，差動連接，上腔產(chǎn)生的推力F1=AP，下腔產(chǎn)生的抗力F2=BP,顯然，F(xiàn)1>F2，壓實力F=F1-F2=(A-B)P，即壓頭上產(chǎn)生的力為壓力作用在活塞桿面積上的力。在主壓頭快速下壓過程中，無桿腔采用副油箱快速補(bǔ)油。主壓頭下腔油液通過單向節(jié)流閥（圖1）回流到上腔，當(dāng)油液無法正常通過單向節(jié)流閥時，下腔即被堵死，無法回油，從而造成主油缸在快速下落過程中無法下降，當(dāng)手動操作時，泵加載，單向節(jié)流閥閥芯前后壓差改變，單向節(jié)流閥受油液壓力反向?qū)?，油液順利回到上腔，主壓頭繼續(xù)下降。調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥內(nèi)六角使閥型軸向移動，故障解決[2]。

圖2 液壓缸差動連接示意圖

3 維修方法

3.1 對單向節(jié)流閥進(jìn)行拆卸分析，查找故障原因

單向節(jié)流閥由閥體、閥芯、彈簧、調(diào)節(jié)內(nèi)六角等組成（圖3）。調(diào)節(jié)內(nèi)六角可驅(qū)動閥芯相對閥體移動，使三角槽式節(jié)流口的通流截面改變，從而改變通過節(jié)流閥的液流流量，此處使用的單向節(jié)流閥閥芯采用三角槽式結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)上，節(jié)流閥的閥芯上開有中心小孔(圖4)，使閥芯的兩端所受的液壓力相平衡，調(diào)節(jié)內(nèi)六角可以方便的對閥芯進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)。閥芯上所開的三角形節(jié)流閥口采用倒三角結(jié)構(gòu)，拆開后發(fā)現(xiàn)有異物堵塞三角槽。

圖3 單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

圖4 閥芯開有三角槽和小孔

3.2 對閥芯的節(jié)流口進(jìn)行受力分析

在快速下落的過程中，主壓頭靠自重下降，上腔由副油箱進(jìn)行大流量補(bǔ)油，由于是差動連接，主壓頭下腔油液也通過單向閥的三角槽回流到上腔（圖5），當(dāng)三角槽被異物堵塞時，油液被截止，液壓缸停止下行，當(dāng)液壓泵進(jìn)行加載時，閥芯反向受力，閥芯打開，主壓頭繼續(xù)下降。

圖5 油液經(jīng)過三角槽示意圖

從節(jié)流閥節(jié)流口壓力特性（圖6）和流量公式：Q=KAΔpm（式中：K 為流系數(shù)；A 為閥口通流面積；Δp 為閥口前、后壓差；m 為節(jié)流口形狀和結(jié)構(gòu)決定的指數(shù)，0.5＜m＜l），閥口前、后壓差Δp 和閥口通流面積A 對節(jié)流口流量有決定影響。在薄壁節(jié)流孔中m=0.5，（流體力學(xué)推導(dǎo)證明過的公式，直接套用）,油液流量在經(jīng)過薄壁小孔時也可以表達(dá)為和Cq為流量系數(shù)，ρ 是油液密度，Q 是油液流量，節(jié)流口的結(jié)構(gòu)、形狀、壓力差、油溫都對Cd有影響。所以在前后壓差改變后，節(jié)流口流量會隨之改變。當(dāng)調(diào)節(jié)閥芯時閥芯軸向移動，即改變開口量h，從而改變閥口通流面積。

圖6 節(jié)流口的流量—壓力特性

在實際工作中，閥芯調(diào)節(jié)時應(yīng)該注意三角槽應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)在露出一半的位置（圖7），當(dāng)調(diào)節(jié)不當(dāng)，三角槽被閥體全部堵塞時（圖8），節(jié)流不起作用，油液只能單向進(jìn)入主壓頭下腔不能回，主壓頭只會上升，不會下降，當(dāng)閥芯被內(nèi)六角全部推開時（圖9），此閥相當(dāng)于一個直通閥，無單向節(jié)流效果[3]。

圖7 三角槽露出一半

圖8 閥芯全部露出

圖9 三角槽未露出

4 結(jié) 果

在清理完阻塞物并正確地調(diào)節(jié)閥芯后，啟動試機(jī)，壓頭運行正常，連續(xù)運行后，未出現(xiàn)此故障。主壓頭單向節(jié)流閥是液壓系統(tǒng)中重要的閥件，節(jié)流閥流量穩(wěn)定性對小流量的控制十分重要，影響節(jié)流閥流量的因素有：（1）壓差對流量的影響，節(jié)流閥兩端壓差變化時，通過它的流量也發(fā)生變化。（2）溫度對流量的影響，油溫影響到油液黏度，對于細(xì)長小孔，油溫變化時，流量會隨之改變，薄壁小孔黏度對流量幾乎沒有影響，故油溫變化時，流量基本不變。（3）節(jié)流口的堵塞，節(jié)流閥的節(jié)流口可能因油液中的雜質(zhì)或油液氧化后析出的角質(zhì)等局部堵塞，這樣就改變了原來節(jié)流口同流面積的大小，使流量發(fā)生變化，尤其是當(dāng)開口較小時，這一影響更為突出，嚴(yán)重時會完全堵塞而出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，此案例即是這種現(xiàn)象[4]。

5 結(jié) 語

液壓系統(tǒng)中有75%的故障是由于系統(tǒng)中阻尼孔被堵塞造成的，產(chǎn)生堵塞的主要原因有：（1）油液的機(jī)械雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)、瀝青、炭渣等污物堆積在節(jié)流縫隙處。(2)由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，而截留縫隙的金屬表面上存在電位差，故極化分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為5～8 μm。因而影響了節(jié)流縫隙的大小。當(dāng)堆積物增長到一定厚度時，會被液流沖刷掉，隨后又重新附在閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成流量的脈動。(3)閥口壓差較大時，因閥口溫度升高，液體受擠壓的程度增強(qiáng)，金屬表面也更易受摩擦作用而形成電位差，因此壓差大時容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象[5]。

減輕堵塞現(xiàn)象的措施有：（1）選擇半徑大的薄刃節(jié)流口；（2）精密過濾并定期更換液壓油；（3）合理選擇節(jié)流口前后的壓差；（4）采用電位差較小的金屬材料，選用抗氧化穩(wěn)定性好的油液、減小節(jié)流口的表面粗糙度等，都有助于緩解堵塞的產(chǎn)生。