液压平衡阀阻尼孔堵塞故障机理研究.pdf

液压平衡阀阻尼孔堵塞故障机理研究 陈国安 ， 傅香如 ， 范天锦 1 ． 工程兵学院； 2 ． 徐州天地重型机械制造有限公司 摘 要 在分 析某型平衡阀 结构特点的 基础上， 研究该阀的5 处阻 尼孔的 作用及其对 ； i 平衡阀使用性能的影响规律， 分析各阻尼孔发生不同程度堵塞 ， 以及在不同时机堵塞时所 i 表现出来的异常现象及其对液压系统产生的影响。 、．◆ ．◆．◆．◆．◆．◆．◆．．．◆．◆． ◆．◆．◆．◆．◆．◆．◆． ． ．． ．◆．◆．◆．◆．◆．◆．◆．◆．◆．。． ◆．◆-．_， 关键词 平衡阀； 阻尼孔； 故障机理 平衡 阀也称 限速锁 ， 广泛应用于工程机械 特 别是起重运输机械、 桥梁装备 液压系统 ， 以改善其 工作平稳性、 使用可靠性， 它在液压系统中， 可实现 液压缸和液压马达的闭锁， 使其不因负载的作用而 出现 自动下滑 ， 即起 到锁 止的作用 ； 也可使液压缸 和马达所控制的负载限速降落， 避免超速下滑所引 发事故的发生 。 工程机械上使用的液压平衡阀有锥阀式、 滑阀 式和组合式等， 其中某型板式平衡阀是一种应用较 多的组合式平衡 阀。在现有的液压教材 、 液压设计 手册等资料 中很难找到对该类平衡 阀的结构 与原 理介绍 ， 而其结构相对复杂 ， 阻尼小孔多且易堵。技 术人员因对该平衡阀的结构原理不清楚 ， 难以对由 此引发的各种异常故障现象作出可靠的分析判断， 在现场盲 目的拆卸不仅解决不了已有的问题 ， 有时 甚至会诱发新的故障。 为此 ， 作者根据多年从事液压技术教学和使用 管理的经验 ， 在对某型板式平衡 阀的结构特点作介 绍 的基础上 ， 重点分析 了各阻尼孔堵塞所 引发的故 障， 旨在为相关技术人员理解其结构原理， 正确地 分析故障现象， 把握故障发生的规律， 从而认清故 障发生的原因， 提供有益的帮助。 1 液压平衡阀结构特点 1 ． 1 结构组成 图 1 所示为某型液压平衡 阀的结构简 图， 它主 要由主阀芯 1 、 阀套 2 、 控制活塞 3 、 左端盖 4 、 阀体 5 、 单向阀 6 、 小单向阀 7和右端盖 8 等组成， 阀体 5 1 ． 主阀芯2 ． 阀套3 ． 控制活塞4 ． 左端盖5 ． 阀体6 ． 单向阀7 ． 小单向阀8 ． 右端盖a ， b ， d ， e ， f 均为阻尼孔 图 1 某型平衡阀的结构 作者简介 陈国安 1 9 6 3 一 ， 男， 湖南安化人； 副教授， 博士， 研究方向 工程装备管理、 液压技术及工程机械。 一 4 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中安装有单向阀 6 、 主阀芯 1 和控制活塞 3 等， 其上 的 A油口外接系统中换向阀一个工作油 口， B油口 与液压缸或液压马达的一个油腔相连通。主阀芯 1 与阀体 5内的阀套 2 之间可形成一个 由零开度 闭 锁 到一定开度的可变节流通道 ， 其轴向中心孔右 端安装有一个小单向阀 7 ，小单向阀7的阀体上开 有一个连通主阀芯轴向中心孔与弹簧腔的阻尼孔 e ， 主阀芯 1 的右端圆柱状台肩 也作为弹簧座 上加 工有一个阻尼孔 f ，它用于将台肩左侧环状容腔与 弹簧腔连通起来；该环状容腔是指由台肩左侧面、 阀套 2的右端面、阀体 5的内孔面等所围成的空 腔 ， 它的容积 随主阀芯 1的右移而增大 。 控制活塞 3 上加工有轴 向阻尼孔 b和径 向阻尼孔 d ；在主阀芯 1 和右端盖 8 之间安装有弹簧 ；左端盖 4上30 U T _有 轴向阻尼孔 a 和连通液压缸或液压马达另一个油腔 的油 口C 。 1 ． 2 阻尼孔作用 左端盖 4上的轴 向阻尼孔 a主要是对流进和流 出控制活塞 3 左侧油腔的油液起阻尼作用， 避免主 阀芯 l 开启和关闭时的冲击振动， 提高主阀芯 1 处 于开启平衡状态时的稳定性能。对于所控制的液压 缸或马达来讲， 保持其所带负载降落时的平稳性。 控制活塞 3 上的轴向阻尼孔 b 将控制活塞 3 右侧环形油腔与左侧油腔连通起来 ， 避免活塞右侧 油腔成为闭死容腔， 从而防止其在控制活塞 3 左移 时形成真空以及右移时使其中的油液产生超高压， 实现主阀芯 1的正常关 闭和开启 ； 对所控制的液压 缸或马达来讲， 阻尼孔 b可实现所带负载的平稳下 落和可靠的锁止定位。 控制活塞 3 上的径向阻尼孔 d 将控制活塞右 侧环形油腔与中心孔、 左侧油腔等连通起来 ， 在控 制活塞 3 刚刚开始右移 即平衡阀刚刚开启 时， 使 控制活塞 3右侧环形油腔 中的油液能从此流出 ， 改 善平衡阀的快速反应性能。 小单向阀 7 的阀体上的阻尼孔 e 将弹簧腔与主 阀芯 1 轴 向中心孔连通起来 ， 避免弹簧腔在需要主 阀芯 1 开启时被闭死， 使其中的油液在主阀芯 1 右 移 即平衡 阀开启 过程 中能通过阻尼孔 e流出 ， 防 止在此过程中形成阻碍平衡阀开启的超高压 ， 确保 平衡阀正常开启 。 主阀芯 l右端大 圆筒 也是 弹簧座 上 的阻尼 孔 f 使大圆筒左侧环形 油腔与弹簧腔相连通 ，避免 其成为闭死腔， 从而防止其在主阀芯 1 右移 平衡 阀开启 时产生真空 、 左 移 平衡 阀关 闭 时产超高 压 ， 实现平衡 阀的正常开启和J l , N关闭。 2 阻尼孔堵塞故障分析 根据流过液 阻的流量 Q与液 阻前 后压差 A p 之间关系 Q k A Ap 1 2 式 中 k为与液阻的过流通道形状和液体性质有关 的系数 ； A为过流截面积 ； m为与液阻结构形式有关 的指数，对于孔长 z 与孔径 d 之比大于等于 4的细 长阻尼孔 ， 取 m l ， 对于孔长 z 与孔径 d之 比小于等 于 0 ． 5的薄壁形阻尼孔 ， 取 m 0 ． 5 。 平衡 阀上各 阻尼孔可看成是细长孔 ； 当该细长 形阻尼孑 L 内油液的流动状态为层流时 ， 在阻尼孔前 后形成 的压力差 △P为 一 r 3 一 , r r d 4 、 ～ 式中 表示液体的动力黏度， N s ／ m 。 根据各阻尼孔的作用 以及式 3 所示关 系 ， 对 各阻尼孔堵塞故障的机理进行分析。 2 ． 1 左端盖上的轴 向阻尼孔 a堵塞 当阻尼孔 a 部分堵塞时， 其阻尼作用增强， 即在 流量 相同的情况下 ， 所产生 的压力差 △ P增大。要 使主阀芯 1 开启 ， 则控制油的压力将增大 即液压 缸小腔的油压增大 ；这时要使液压缸所支承负载 平稳下降 ， 则主阀芯 1的开启程度需减小 即液压 缸大腔 的回油阻力增大 ，即负载下降速度相对要 降低 。 当需要对负载进行锁上时 ， 由于阻尼孔 a 部分 堵塞，将使控制活塞 3 左侧油腔中的油液难以流 出 ， 使 主阀芯 1的关 闭过程延长 ， 导 致负载不能及 时被锁止住。 当阻尼孔 a完全被堵死时，将使控制活塞 3左 侧油 腔成为闭死腔 ， 油液无法进 出该腔 ， 使控制活 塞 3 和主阀芯 1 都不能左右移动。如果阻尼孑 L a 堵 死在主阀芯 1已开启一定开度时 ， 则 主阀芯 1与阀 套 2之间的节流通道大小保持不变 ， 负载将 以较低 - - 4 5- 卫 △ 得 可 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的速度平稳下降；如果阻尼孔 a 堵死在主阀芯 1的 关 闭过程 中 ， 则 主阀芯 1无法关闭 ， 负载将不能被 制停 ， 而是继续下降； 如果阻尼孔 a 堵死在主阀芯 1 完全关闭时 如在平衡安装时即被堵死 ， 则液压缸 或马达将不能驱使负载下降。 2 ． 2 控制活塞上轴向阻尼孔 b堵塞 当阻尼孔 b部分堵塞时 ， 对流进和流出控制活 塞 3右侧环形油腔 中油液的阻尼作用增强 ， 流量减 小， 使主阀芯开启和关闭的阻力增大； 堵塞严重时， 会对负载的降落过程产生影响， 并且不能保证负载 下落过程中的快速可靠锁止。 当阻尼孔 b完全被堵死 时 ， 只要控制活塞 3移 动到使径 向阻尼孑 L d被 阀套 内孔壁面封堵住时 ， 控 制活塞 3右侧环形油腔则成为一个闭死腔 。之后油 液将无法进出该腔， 控制活塞 3 和主阀芯 1 都难以 左右移动，使得主阀芯 1 只能开启一个很小的开 度 ， 即负载只能以很小 的速度平稳下 落 ； 如果在主 阀芯 1 关闭过程中该阻尼孔被堵死时，控制活塞 3 左移会使其右侧环形油腔产生真空 ， 只能靠控制活 塞 3与阀套之间的配合间隙对其实施补油 ， 使得负 载不能快速被制停。 2 ． 3 控制活塞上径 向阻尼孔 d堵塞 当阻尼孔 d 被部分堵塞时， 油液进出控制活塞 3右侧环形油腔 的阻尼作用增强 ，在控制活塞 3刚 刚开始右移 即平衡阀刚刚开启 时， 使油液难以从 控制活塞 3右侧环形油腔 中流出 ， 从而会降低平衡 阀的快速反应性能。 当阻尼孔 d 被完全堵死时， 将使主阀芯 1 在打 开 的开始阶段不能迅速开启 ， 在关闭的最后 阶段不 迅速关闭 ， 严重影响平衡阀的的快速反应性能。 2 ． 4 小单向阀 7的阀体上的阻尼孔 e 堵塞 当阻尼孔 e 被部分堵塞时 ，在主阀芯 1开启过 程 中， 油液从弹簧腔 中流 出时的液阻增大 ， 主阀芯 1 开启所需的控制压力增大， 开启速度降低。 当阻尼孔 e 被完全堵死时，若控制活塞 3 右推 主阀芯 1 ， 这时阀体上 A 口接油箱 ， 小单向阀 7是关 闭的， 弹簧腔则成为闭死腔 ， 其中的油液会产生高 压阻止主阀芯 1的开启 ， 使得 液压缸或液压马达所 控制的负载不能实现下落。 2 ． 5 主阀芯右端大圆筒上的阻尼孔 f 堵塞 当阻尼孑 L f 被部分堵塞时，油液进出主阀芯右 - - 46-- 端大圆筒左侧环形油腔的阻尼作用增强 ， 将对主 阀 芯 l的开启和关闭过程产生一定影响 ， 影响的程度 取决于堵塞的程度。 如果阻尼孔 f 被完全堵死， 则使 主阀芯右端大圆筒左侧环形油腔成为闭死腔 ； 在主 阀芯 1 开启时， 将使该腔产生真空 ， 弹簧腔中油液 只能通过大圆筒与阀体内孔面之间的配合间隙慢 慢渗入其 中 ， 使得主阀芯开启过程变得缓慢 ， 并且 会使平衡 阀的动态平稳性变差 ；主 阀芯 1 关 闭时 ， 大 圆筒左侧环形腔 中油液产生高压阻止 主阀芯关 闭， 其中的高压油只能沿大圆筒与阀体内孔面之间 的配合间隙慢慢渗出至弹簧腔， 所以主阀芯的关闭 过程非常缓慢 ， 不能使负载在下落过程 中被锁止。 3 结论 平衡 阀各阻尼孔的部分堵塞或全部堵死 ， 虽不 会对液压缸或液压马达所支承的负载的上升过程 产生影响 ， 但对于负载的下降过程或负载在空 间某 一 位置处的锁止则会产生 明显影响 ， 不能实现负载 的平稳下降或及时可靠锁止 ， 甚至很可能导致负载 下降速度失控事故的发生。 平衡阀中 5个阻尼孔 中的不 同阻尼孔堵塞 、 堵 塞程度不 同、 堵塞 时机不 同 ， 所表现 出来 的故障现 象也不完全相 同。 例如 1 如果出现负载下落过程 不能及时被快速可靠锁止住的故障现象 ， 则可能是 阻尼孔 a或阻尼孔 b被严重堵塞 未完全堵死 所 致 ； 2 如果 出现负载下落过程 中无法 被锁止住 的 故障现象 ， 则可能是在主阀芯 1关闭过程 中阻尼孔 a或阻尼孔 e 被完全堵死所致 ； 3 如果 出现负载不 能被放落的故障现象， 则可能是在主阀芯 1 处于完 全关闭状态时阻尼孔 fl 或阻尼孔 e已被完全堵死所 致 ； 4 如果 出现负载下落过程平稳性差的故 障现 象， 则可能是阻尼孔 a 或 b ， e ， f 被严重堵塞 但未完 全堵死 所致 ； 5 如果出现负载下落速度太慢的故 障现象， 则可能的原因是 在主阀芯 1 已开启一个 小的开度时阻尼孔 a 被堵死 ，或者是阻尼孔 b完全 被堵死 。 因为平衡 阀阻尼 孔的堵塞所导致 的故 障在实 际机械装备上也常有发生 ， 例如， 某重型机械化桥 的桥跨的展开与收拢是靠液压缸驱动的； 在收桥跨 时 ， 该液压缸无杆腔进油 、 有杆腔 回油即活塞杆外 伸 ， 受到负值载荷的作用， 所以其有杆腔油口处装 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 设有一个平衡阀。作者在进行该机械化桥架设的教 学过程中， 发现桥跨展开后， 没法收拢。经分析， 是 由于平衡阀工作不正常所致 ； 并对该平衡阀作进一 步拆检发现其故障原因是 其左端盖上的轴向阻尼 孔 a 被完全堵死 。 【 2 ]张雅琴 ， 张祝新． 对液压系统设计中平衡回路问题研究 【 J 】 ． 机械工程师， 2 0 0 6 2 8 4 8 5 ． 【 3 ]赵焕军． 液压平衡回路的研究 f J 1 ． 工程机械， 1 9 9 9 5 3 4 - 3 6 ． [ 4 ]李秋莲． 阀控液压马达系统用平衡阀的改进『 J ] ． 液体传动 与控制， 2 0 1 2 2 4 4 4 5 ． 。 一 ⋯ ． ．．⋯⋯⋯一 ， 通信地址江苏省徐州工程兵学院五系工程装备基础教研室 [1 ] 苎 苎 ，胡 军 科 液 压 系 统 限 速 与 锁 紧 回 路 分 析 【J]机 床 】 ⋯⋯。 ～一 ⋯ 稿 一2 0 1 3 - ⋯0 3⋯- 1 5一 与 液 压 ，2 0 1 0 6 4 9 5 1 ． ⋯ ’ 液压泵变量机构建模及能耗特性分析 张建福 ， 王福 山， 王璇芝， 王克， 邓伟倩 天津工程机械研究院 摘要 研究液压挖掘机用液压泵变量机构的 ；量机构的双泵模型； 通过对挖掘机载荷谱试验数据 性； 研究挖掘机在交叉功率控制和负流量控制模式 节能研究提供依据。 0 - ◆-◆-◆。◆0◆◆-◆- ◆。◆。 ◆-◆ ◆-◆。◆。0 ◆- 工作原理 ， 利用液压仿真软件 A M E S i m建立变 和 仿真结果的 对比分析， 验 证仿真模型的正确 i 下的能耗特性， 为变量机构的改进和 挖掘机的 ． ．◆． ◆．◆．◆．◆．◆． ◆．◆．◆．．．◆．◆．◆- ．-◆ ／ 关键 词 液压泵 ； 变量机构 ； 交叉功率控制 ； 负流量控 制 液压挖掘机作为一种高效的工程机械 ， 已经被 越来越多的行业所应用 。挖掘机液压动力源为多种 控制方式相结合的轴向变量柱塞泵， 在诸多的控制 方式中， 交叉功率与负流量控制相结合能够有效地 防止发动 机过载 ， 提高系统效率 ， 已经成为 了中型 挖掘机液压系统主流控制方式之一【1 J 。 目前国内对挖掘机液压泵变量机构 的研究 ， 通 常采用挖掘机在交叉功率控制和负流量控制下分 别建模的方式 ， 多种变量特性分析不能集成在一个 模型中， 降低了仿真结果的可信度。 本文在对挖掘机液 压泵变量机构研 究 的基础 上 ， 应用 A ME S i m液压仿 真软件建立 了液压泵变量 机构 的整体模型 ， 同时将交叉功率和负流量控制作 用在同一仿真模型上， 通过挖掘机载荷谱试验数据 对仿真结果进行了验证 ， 并分析了在两种控制方式 下液压泵的能耗特性 。 1 仿真模型的建立 1 ． 1 交叉功率控制机构建模 挖掘机用液压泵所采用的交叉功率控制 ， 不仅 可以实现双泵单独控制各回路的流量 ， 而且还可以 保证每个泵 1 0 0 ％地吸收发动机功率，具有很好的 节能效果阁 。由于双泵交叉功率控制机构完全相同， 以其中单泵控制机构为例对其进行建模。 交叉功率控制机构如 图 1 所示 ， 主要 由载荷柱 塞 3 、 伺服柱塞 1 3 、 换 向阀芯 4和连杆机构组成。当 泵 1 或泵 2的出口压力增大且大于弹簧 1 1 预紧力 时， 载荷柱塞 3 在压力作用下向右移动， 通过销钉 9 带动连杆 8绕着 固定于壳体 的销钉 5做逆 时针的 转动 ， 连杆 8 通过销钉 7 使反馈拨叉 1 0绕销钉 l 2 做顺时针转动。换向阀芯 4在销钉 6的作用下向 右移动， 换向阀左位工作 ， 伺服柱塞 1 3无杆腔与 作者简介 张建福 1 9 8 5 一 ， 男， 河北唐山人， 硕士， 研究方向 液压元件和系统的研究与开发。 - - 4 7---- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m