某液压顶升装置故障分析及仿真验证.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 l 卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUU CS Au g ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 6 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 6 ． 0 5 8 某液压顶升装置故障分析及仿真验证 米双山，付久长，韩翠娥 军械工程学院四系，河北石家庄 0 5 0 0 0 3 摘要针对液压顶升装置的故障，采用理论分析和仿真验证相结合的方法 ，成功地确定了故障的原因，并最终排除了 故障。 关键词顶升装置；故障；仿真 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 61 8 8 3 在装备的维护和封存 中 ，维 护人员 常需要将车辆 顶起 ，使用传统的手动千斤顶进行顶升 ，不仅无法满 足现代战场对装备快速维护的需要 ，而且会消耗维护 人员的体力。液压顶升装置的出现替代了传统的手动 顶升。该顶升装置不仅降低了维修保障人员的劳动强 度 ，而且提高了工作效率。由于液压顶升装置 主要 用于大型设备的顶升，所以顶升过程中的稳定性就显 得至关重要。液压顶升装置是否稳定运行直接关系到 维修保障能否顺利开展，关系到装备和维修人员的 安全 。 作者对某型液压顶升装 置在 出厂调试 时出现 的故 障进了理论分析及仿真验证 ，并提出了故障解决方 案 ，最终取得 了 良好 的效果 。 1 液压顶升装置的结构组成及工作原理 液压顶升装置实物如图 1 所示 ，主要包括油箱、 动力组 、叠加 阀组 、油管 、两个 三级液 压缸 、承载装 置小推 车，其 中，动力组 包括 电机 、齿 轮泵和 手 动泵 。 图 1 液压顶升装置实物 液压顶升装置液压原理 图如 图 2所示 。当需要顶 起装备 时 ，向右扳动三位 四通换 向阀，电机带动主泵 通过滤油器从油箱中吸人液压油，经单向阀、三位四 通手动换向阀的左位、液控单向阀、左侧单向节流阀 的单向阀后同时进入两个三级液压缸的下腔，推动活 塞逐级向外伸出，进而将装备顶起。同时，三级液压 缸上腔油液经过右侧单向节流阀的节流阀、手动换向 阀左位流 回油箱，完成装备的顶升过程。在 电机损 坏、主泵损坏或系统断电的情况下，可由操作者操作 手动泵完成上述顶升操作 。 手 阀 阀 图2 液压顶升装置原理图 当需要装备回位时，向左扳动三位四通换向阀的 操作手柄 ，主泵输出的油液经过单向阀、手动换向阀 的右位 ，一部分通过右侧单向节流阀的单向阀进入三 级液压缸的上腔，另一部分进入液控单向阀的控制油 收稿日期2 0 1 2 0 7 1 1 作者简介 米双山 1 9 6 5 一 ，博士，教授，主要从事机械工程及其 自动化、计算机仿真等方面的研究。Em a i l f u j i u c h a n g 2 0 0 8 l i v e ． c n 。 第 1 6期 米双山 等某液压顶升装置故障分析及仿真验证 1 8 9 口，使其阀芯开启。活塞在压力油和装备 自重的作 用下逐级 收 回。同时 ，三级液压缸下腔 的油液经过左 侧单向节流阀的节流阀、液控单向阀和手动换向阀的 右位流回油箱，完成装备回位。调整左侧单向节流阀 的开口大小即可调整装备的下降速度，使得装备能够 平稳下降。 2液压顶升装置故障分析及仿真验证 2 ． 1 液压项升装置故障现象 液压 顶升装 置韵 执 行 元件 为 三 级液 压 缸 。理 论 上 ，多级液压缸在伸出时，应该按照活塞的有效工作 面积由大到小依次伸 出 即按 照一级缸 、二级缸、 三级缸的顺序伸出 ，收回时按照活塞有效工作面积 由小到大依次收回。但该液压顶升装置在出厂调试 时，三级液压缸在伸出过程中会随机出现二级缸先于 一 级缸伸出的情况。在进行顶升试验时，若二级缸先 伸出，装备在被逐渐顶起时会 出现二级缸突然收回 的现象 ，与此同时一级缸突然伸出，整个三级液压 缸总高度下降 ，装备随之下落。由于顶升装置的负 载多为重型装备 ，顶升的无预兆突然下降不仅可能 对装备造成损伤 ，而且严重威胁到现场工作人员的 安全 。 2 ． 2 顶升故 障理论分析 下面对液压顶升装置的这一故障现象进行理论分 析 ，以找出可能的故障原因。 首先 对液压顶升装置进行初步检查 。根据顶升装 置压力表的显示，顶升装置供油压力并不存在问题 ， 而且 3个液压缸都能伸出和收回。由此初步判断，顶 升装置的供油回路没有问题。故障应该出在三级液压 缸上。通过检查三级液压缸发现，其结构并不存在问 题 ，故排除结构故障。下面对三级液压缸在伸出过程 中的受力进行分析 ，以找出影响三级液压缸伸出顺序 的因素。 当三级液压缸在正常状态下顺序伸出时，一级缸 伸出并带动二、三级缸上升 一级缸行程内 ，此时 整体受力为 m lm 2m3 gF c 0 1p 盯 D 1 ／ 2 X 1 0 。 其中F ∞ 为外缸筒与一级缸密封摩擦力 N ，计算 公式为 F c 0 1 f A p r D 1 b 1 k 1 D 2 b 2 k 2 1 0 标准公 式 ，公式内各值含义不再赘述 ； △ p p- p ， P 。 为出油口压力，这里默认为 0 ， 所以 A p P ； m。 、m 、 为分别为一、二、三级油缸 的质 量 k g ； P为进油口压力 M P a ； D 、d 分别为一级缸的外径和内径 m 。 经计算可以得出在正常情况下，当三级液压缸 进油 口压力达到 0 ． 0 3 2 M P a 时 ，三级液压缸即可正常 伸出 。 故障情况下，一级缸未发生移动 ，二级缸伸出并 带动三级缸 向上移动 ，这里 以二级缸和三级缸 为整体 进行受力分析 p r DE 2／ 41 0 。 m 2 m 3 gF c 1 2 式中F 为一级缸与二级缸密封摩擦力 N ； J D 为二 级缸外径 m 。 经计算 ，在故障情况下，三级液压缸进油口压力 为 0 ． 0 4 1 5 M P a 。在此情况 下 ，一级缸受力 为 p D 一d ／ 41 0 。 F c 1 2， 1 g 0 1 将进油口压力P代人上式对一级缸进行受力分析 发现 ，一 级缸两端受力 已不再平衡 ，即 p 叮 T D d ／ 4 X 1 0 。十F c l 2m 1 gF c 0 1 理论情况下，一级缸应该向上移动，但故障的实 际情况是一级缸并未发生移动，即一级缸仍处于受力 平衡状态。所以只有 F 减小或 F 叫增大才能出现这 种情况。这里进行极限假设，将 F 的值减小到最小 值 0 ，发现 p 1 T D 一d ／ 41 0 。m1 gF c 0 l 显然 ，此情况下一级缸仍会向上运动。因此，只 有当 F ∞ 增大时，才能保持故障状态即一级缸静止不 动。经计算 ，此时的 F o 。 为 5 7 4 N。显然，这已超过 三级液压缸密封环摩擦力的正常值。所以，故障很可 能是 由于三级液压缸的一级缸与外缸筒之间的密封圈 造成的。 2 ． 3 顶升装置故障仿真验证 通过理论分析，基本确定 了顶升装置的故障原 因。为了对理论分析进行验证并进一步研究故障机制 和故障发生过程 ，作者使用仿真软件 A ME S i m建立了 液压顶升装置的仿真模型 如图3所示 ，并进行了 仿真。 1 9 0 机床与液压 第 4 1卷 图 4显示 了无故 障 的顶 升 装 置 三 级 液 压 缸 的位移 曲线 ，可以看出 在正常情况下三级 液压 缸 各 缸 会 逐 级 伸 出，到 达各 自的伸 出极 限 后， 停止 运动。同时，三级 液压 缸 的 下 一 级 缸 要 比 上一 级 缸 的 运 动 速 度 更 快 。 0 ． 1 0 0 ． O 0 暑。 0 ． 1 0 蠢． 0 ． 2 0 一0 ． 3 0 0 ． 4 0 0 ． 5 O 图3 液压顶升装置仿真模型 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时间， s 图4 顶升装置三级液 压缸位移曲线 经理论分析，初步认定顶升装置的故障是因为外 缸筒与一级缸之间密封圈摩擦力过大造成的。作者对 顶升装置进行故障仿真 ，设定顶升装置的外缸筒与一 级缸之间的摩擦力分别为 9 6 ． 7 ，3 3 6 ，5 7 4 ，8 1 2 N 。 图 5和图 6分别为一级缸和二级缸在 以上 4种摩擦力 作用下的位移衄线，可以看出当摩擦力超过 5 7 4 N 时，一级缸前5 9 S 无动作 ，二级缸先于一级缸伸出。 由于二级缸油腔面积小，所以故障状态下三级液压缸 初始伸出速度要快于正常状态下的伸出速度；当 5 9 ． 8 S 时，一级缸快速伸出，同时二级缸收回。仿真 结果与故障现象一致。从图6可以看出三级液压缸 顶升高度下降了0 ． 0 4 7 m，虽然下降不多，但 由于重 型装备的惯性力，0 ． 0 4 7 m的突然下降足以对装备造 成严重影响。一、二级缸的仿真曲线对顶升装置的故 障进行了再现，同时表明一级缸与外缸筒密封圈摩 擦力过大的确是造成顶升装置故障的原因。 0 ．O ． 0 2 ．o． 04 目 - o． 06 蠢一 0 ． 0 8 趟 - 0 ． 1 0 -0． 12 ．0 ． 1 4 0． 16 ＼ 3 ．4 0 O 0 篆 羹 - 0一 ．03 3 6 N u ． I U 2 一 摩 擦 力 为 3 “- - 摩擦 力为 7 4 N 潦一 0 - 1 4 一摩擦 力为8 1 2 N 趟一 0 ． 2 t ．O． 25 ．0． 3O 一0． 35 、 ／ 2 3 一摩擦力为5 7 4 N 4 一摩擦力为8 1 2 N 0 5 0 1 0 0 I S 0 2 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时 间， s 时 间／ s 图5 一级缸位移曲线 图6 二级缸位移曲线 下 面 ，通过对 三级液压缸负 载压力 和进油 口压力 的仿真，进一步研究故障发生的内部机制。 由图7可以看出当二级缸开始对装备进行顶升 时，负载压力逐渐上升。这也就造成了如图8所示的 三级液压缸进油 口压力的上升。三级液压缸进油 口压 力 的上升增大 了一级缸 的推力 ，一级缸在较大 的推力 作用下克服了静摩擦力与自重迅速伸出。一级缸的快 速伸出导致整个进油口的压力迅速下降，图8的仿真 结果证明了这一分析。由图 8可 以看 出故障情况 下，当进油口压力到达峰值后 ，迅速下降。因此导致 支承负载的二级缸在没有足够压力支承的情况下 ，迅 速被负载压下。正是二级缸油腔内液压油被压回并迅 速补充到一级缸的油腔内，才使一级缸在系统流量没 有发生改变的情况下具有如此快的伸出速度。三级液 压缸进油口压力反映了故障发生瞬间进油口复杂的压 下转第 1 9 8页 1 9 8 机床与液压 第4 1 卷 改造后的切削机由于使用了 P I D闭环控制 ，能够维持 主轴电机恒转速运行，改造后的均值非常接近理想 值。改造前后的标准差分别为2 2 ． 4和 1 7 ． 2 ， ． 可 以 看出，改造后的颗粒尺寸更加靠近均值 ，优 良产品的 比例更高。 5 ． 3 总体估计 为了能从样本信息中 考察整体情况，需要对改 造前后镁锭切削机加 工颗 粒尺 寸 的 总体 进行 估 计 ， 根据样本数据绘制的颗粒 尺寸概率密度曲线如图4 所示 ，可 以看 出 颗 粒尺 寸服从正态分 布。设 置 为改造前的镁粒尺寸随机 图4 改造前后镁粒尺 寸概率密度图 变量 ， 为改造后的镁粒尺寸随机变量，则 ～ N 3 4 5 ． 6 ， 2 2 ． 4 3 一 N 3 3 9 ． 7 ， 1 7 ． 2 4 由式 3 和式 4 可 以计算 出改造前 后 镁粒 尺寸在区间 [ 3 0 0 3 8 0 ]的概率分别为 P { 3 0 0X 3 8 0 } 1 3 8 0 一 l 3 0 0 0 ． 91 7 P 2 { 3 0 0 3 8 0 } 2 3 8 0 一 2 3 0 0 0 ． 9 8 0 从计算结果可以看出经过 P I D改造后的镁锭切 削机加工镁粒合格率 比改造前提高了 6 ％，改造效果 明显 。 6结论 镁锭切削颗粒尺寸的大小和均匀度对镁制品后续 加工的质量影响很大，作者所提 出的利用 P L C作为 主控元件、利用变频器来控制主轴电机的转速并把转 速信号通过 P L C中的 P I D计算 反馈 给变 频器 的技术 方案实现了对 主轴转速的闭环控制 ，从 而可以精 确控 制镁粒的尺寸。该技术方案已经在Z M J - 7 0 0型镁锭切 削机上应用 ，改造后的镁锭切削机加工产品的合格率 比改造前提高 了6 ％ ，效果明显 。 参考文献 【 1 】伍上元． 谈谈镁粉及颗粒镁的生产方法 [ J ] ． 轻金属， 1 9 9 9 5 4 O一 4 J 4 ． 【 2 】乌志明， 马培华． 镁、 镁资源及镁质材料概述 [ J ] ． 盐湖 研究， 2 0 0 7 ， 1 5 4 6 5 7 2 ． 【 3 】唐伟 ， 亓军祥． 基于 P L C的修磨机控制系统设计[ J ] ． 组 合机床与自动化加工技术， 2 0 0 4 7 7 98 0 ． 【 4 】刘东升， 王守芳． 基于 P L C与变频器的恒张力卷绕控制 系统[ J ] ． 制造业自动化， 2 0 1 1 ， 3 3 8 1 3 1 1 3 3 ． 【 5 】刘增环， 潘明福． 基于 P L C及变频器技术的带式输送机 控制[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 3 2 9 1 9 21 9 3 ． 【 6 】路如旃， 李群． 基于 P L C的模糊 P I D桥式切割机控制系 统[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 9 2 6 8 7 1 ． 【 7 】 赵强， 钱晓龙， 汪晋宽． 高速计数模块的组态方法[ J ] ． 仪器仪表学报， 2 0 0 3 ， 2 4 4 3 8 63 8 8 ． 上接第 1 9 0页 力变化 ，解释了液压顶升装置故障的发生机制和发生 过程。 6 O 5 0 Z 4 0 纛3 0 2 0 l O 0 1 一 摩擦 力为 9 6 ． 7 N 2 一摩擦力为t 3 6N 蠢 l 一摩擦力为9 6 ． 7 N 2 一摩擦力为3 3 6 N 3 一摩擦力为 5 7 4 N 4 _摩擦力为 8 1 2 N 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 00 时 间， s 时阀， s 图7 三级液压缸负 图8 三级液压缸进 载压力曲线 油口压力曲线 经理论分析及仿真验证 ，确定一级缸与外缸筒摩 擦力过大是造成故障的原因。通过返厂更换密封圈并 严格把关三级液压缸的装配，液压顶升装置故障得到 排除 。 3结论 通过对液压顶升装置 的理论分析及仿 真验证 ，确 定顶升装置的故障原因为外缸筒与一级缸密封圈摩擦 力过大，同时证明了理论分析与仿真验证相结合的液 压系统故障诊断方法的可行性。虽然在简单液压系统 中，这种方法的成本和时间优势并未能很好地体现 ， 但是对于大型复杂液压系统和拆卸困难易损的液压设 备 ，此方法却具有很强的实用价值。 参考文献 【 1 】王军， 宋正臣． Z L 5 0 G型装载机动臂提升缓慢故障分析 及排除[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 4 7 07 2 ． 【 2 】黄志坚 ， 吴百海． 液压设备故障诊断与维修案例精选 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】于志荣， 李金珂． 步进梁式加热炉液压故障分析及解决 方案[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 4 8 08 1 ． 【 4 】冀宏， 梁宏喜 ， 胡启辉． 基于 A M E S i m的螺纹插装式平衡 阀动态特性的分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 0 8 0 8 2