基于油缸压力曲线的充液阀“泄漏”原因分析.pdf

2 0 1 1年 3月 第 3 9卷 第 6期 ’ 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS Ma r ． 2 0l l Vo l _ 3 9 No ． 6 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 6 ． 0 3 7 基于油缸压 力曲线的充液 阀 “ 泄漏 ” 原 因分析 徐根 涛 ，邓 华 上海宝钢股份有限公司宝钢 分公司钢管厂 ，上海 2 0 1 9 0 0 摘要 针对某成型机液压 管道发热及充液 阀疑 似泄漏的现象 ，通过对 该机液压 系统原 理分析 、充 液 阀是 否泄漏 的判 断 分析 、充液阀结构分析及受力计算 、油缸的压力波形图对比分析等，表明造成充液阀误开启的主要原因是左压梁4个油缸 运 动过程中位移 的不一致性 。对程 序进行了改进 ，保证 4个 油缸位置在一条直线上 ，解 决了液压管道发热 的问题 。 关键词 压力波形 图；充液 阀；泄漏 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 61 1 7 4 “ U ” 成 型机是 U O E管线 管 生产 线上 的一 个重 要生产 工序 ，把钢 板压 制成“ u” 形状 。某 U O E生 产线 u成 型机有 3个 压梁 见 图 1 ，其 中上压 梁 由 4个 5 0 0 m m 3 5 0 m m 1 6 0 0 m m 的油缸 进行控制 动作 ，对 称 的两个 侧 压梁 各 由 4个 O 0 m m 3 5 0 i n m 8 0 0 l“n m的油缸 进行控制动作 ，每个压 梁的设计 能力 均 为 2 3 ． 5 M N，可 压 板长 1 0 2 0 0～1 8 5 0 0 m m。 其一般动作过程为上梁压制钢板 到设 定的位置 ，两个 侧压梁同时 向内压 制钢板 到设 定 的位置 ，完成 压制 ； 退 回时 ，两个侧压梁 同时退 回到开始 的位置 ，然后上 梁 向上退 回到起始的位置 。 上 压 梁 皿 左 侧 压梁 图 1 “ U ” 成型机示意简 图 1 液 压控 制原 理 3个压梁 的液压控制原理 图基 本一 致 ，都分压 制 板长 1 2 0 0 0 m m和 1 8 0 0 0 m m两个控制程序 ，其 中侧 压梁的原理图如图2所示，液压动作过程如下 l I l j ， ⋯ ⋯ 4 t l ” 离1 T ， 、 c J 2 捍 I _ _ 1 1 l 1 1 8 同 3 l ， 2群 鼎 1 『 甲 L1 甲 一 钢 板 前 进 7 7 6 5 4 3 2 l捍 圈 甲 早 6 园 园 园 甲 1 J l l I I I I 3 5 4 3 2 l 1 I 4 2 I 3拌 三 訇 匣 工] 匣 土二] 土] 囱 ] 打 屑 霹 打 褥 雌 【 羽 。 k ’j I I f ’『 I 丁 r 一 I ’f j J I l ’l l I 『 I 5 4 I 2 1 撑 ‘ I I I I I i I l I I I I I l 。 I l l l P 主 油路T。 P I I 一 一 T ， 1 一 高频 响 比例 阀 4 个2 一溢 流 阀1 4 个 3 一 溢 流 阀2 4 _ _电磁 换 向 阀 5 个 s _ 一双单 向节流 阀 5 个6 一 压力 传感 器 7 个 7 一 侧压 梁8 一 位 置传 感 器 4 个 液 压 油缸 4 个 1 0 - - NGS 0 充液 阀 4 个 l l --NG5 0 充液 阀 2 个 1 2 一 高位 油箱 2 个 图 2 侧压梁 液压 原理图 收稿 日期 2 0 0 91 01 3 作者简介 徐根涛 1 9 6 7 一 ，男 ，工程师 ，主要从 事液 压系 统设计 及现 场维 护工 作。 电话 1 3 9 1 8 1 6 5 0 3 9 ，Em a i l X U g e n t a o 1 9 6 7 1 26 ．c o rn。 1 1 8 机床与液压 第 3 9卷 1 压制长 1 2 0 0 0 m m左右钢板 时 ，程序 给 2 、 4 群 高频响 比例阀信号 ，比例阀换右位 ，从主油路 P过 来的高压油进入 2 、4 液 压油缸 的无杆腔 上腔 ， 高压油推动 活塞 ，进 而推 动 侧压 梁前 进 ；同时 2 、 4 电磁换向阀得 电，1 N G 8 0 、3 N G 8 0充 液阀开 启 ， 2 N G 5 0 充液阀开启 ，高位油箱 的液压油通过 1 N G 8 0 、 3 N G 8 0充液阀进入 1 样 、 3 液压 油缸无杆腔 ，有杆 腔 的油液从 1 N G 5 0 、2 N G 5 0充液阀回到高位油箱 ，此 时 1 、3 液压油 缸处 于随动状 态 ，侧压 梁完成 快进 工序 。当侧压梁运动 到设定 的行程 后程 序给 3 高频 响比例阀信号，比例阀换右位，从主油路 P过来的高 压油进入 3 液压油缸的无杆腔 上腔 ，高压油推 动 活塞 ，和 2 、4 群 油缸一 起推动侧 压粱 前进 ；同时 2 电磁换 向阀失电 ， 5 } } 电磁换 向阀得 电 ， ， 4 电磁换 向阀 继续得 电，3 N G 8 0充液 阀关 闭 ，1 N G 8 0充液 阀保持 开启 ，I N G 5 0 充液阀保持开启 ，2 N G 5 0充液阀关 闭， 高位油箱的液压油通过 1 N G S O充液阀进入 1 舟 液压油 缸无杆腔 ，有杆腔的油液从 I N G 5 0充液 阀回到高位油 箱 ，此时 1 液压油缸处于随动状态 ；溢流 阀 2起安全 阀作用 。当侧压梁运动到设 定的位置后 ，程序里 各位 置传感器给出信号，所有比例阀失电，回中位；所有 电磁换向阀失 电，回右位。侧压粱 完成 压制工序。侧 压梁退回时 ，基本动作顺序同快进时的动作 。 2 压制 1 8 0 0 0 m m左右钢板时 ，1 、4 油缸快 进 、退 回时 ， 1 、4 高频响 比例 阀得信 号 ，1 、4 油 缸有杆腔和无杆腔分别进高压油 ，推动侧压梁前进后 退 ，2 撑 、3 液压油缸处 于随动状态 ；压制 时程序给 4 个比例阀信号 ， 4个油缸都参与压制，保证有足够大 的压制力 。 2 故障现象 在调试和试生产阶段 ，该 “ U ”成 型机运行 比较 正常 ，设备及工艺都 达到了设计要求。但是 由于左右 两个侧压梁行程较短 ，调试的外方专家修改了控制程 序 ，即取消左右侧压梁的快进、快退程序 ，并且 4个 油缸 同时压制 ，只是上压梁保持原设计程序 。正常生 产后该机一直使用修改的程序。生产后一次偶然的设 备点检中 ，作者发现左侧压梁 2 油缸上 2 N G 8 0 充 液 阀的充液油管 高位油箱和充液阀之 间的连接管道 的温度比右侧 2 油缸上 2 N G 8 0充液阀的充液油管的 明显高 左侧温度约 4 5 q C，右侧温度约 2 8℃ ，温度 相差 明显 。通过分 析 ，作者认 为左侧 压 梁 2 油 缸上 N G 8 0 充液 阀的充液油管温度 是高位油箱 里液压 油的 正常温度 ，右侧 2 油缸上 N G 8 0的充液 阀的充液油管 温度是生产车间 内的正常温度 。应该说这是个不正常 的现象 。 3原 因分 析 侧压梁是一根钢性 梁 ，长度约 2 0 0 0 0 m m，压制 1 2 0 0 0 mm的 钢板 时 ，2 、3 舞 、4 液压 油 缸 同时 工 作 ，而且位置传感器控制着每个油缸的行 程 ，如果位 置传感器 的值偏差超过 1 0 I n m，控制系统会报警 ，并 且停 止工作 。但是 目前控制系统并 未发出报警 ，系统 也 在正常工作 ，生产也在正常进行 。作者分析 ，原 因 可能有 以下几种 1 左侧 2 N G 8 0充液 阀有泄漏 作者利用压力表检测 了左侧 2 油 缸前后 的压力 ， 发现上压 梁下 压时 ，钢 板 对侧压 梁有 个 向下 的作用 力 ，由于两个侧压梁的位置固定 ，1 、3 、 4 油缸无 杆腔都建立起了 1 2～1 8 M P a 左右的压力 ，而 2 油缸 无杆腔压力为零。压 制时 ，1 眷 、3 、 4 油缸无杆腔压 力建立很快 ，并慢慢 达 到 2 0 2 5 M P a 左右 压力 ，但 2 油缸无杆 腔压 力建立 很慢 ，最 后瞬 间达到 1 8 MP a 左右。能够建立压力，说明该充液阀不泄漏，或者泄 漏量极 小。 2 控制系统有 问题 ，2 N G 8 0充液阀被打开 了 生产时对 3 电磁换 向阀进 行 了监 控 ，发现 3 样 电 磁换 向阀并未得电 ，左右两侧 的控制程序是一致的。 3 控制 2 N G 8 0充液 阀开 、关 的 3 电磁 换 向 阀有问题 为 了排除 3 电磁换 向 阀的问题 ，将 2 、3 电磁 换 向阀进行 了对调 ，结果管路依然温度 高。排除 了电 磁换 向阀的问题 。 为了彻底排 除 2 N G 8 0充液 阀 出现问题 的可 能 ， 作者利用定修时间更换 了一个新 的 N G 8 0充液 阀 ，更 换之前又对新充液阀进行了泄漏试验 ，结果仍然存在 该充液管路温度高的现象。至此，N G 8 0充液阀出现 故障的可能性被排除掉。而在更换 2 N G 8 0充液 阀 时 ，作者也对油缸 和充液 阀的连接处进行了详 细的检 查 ，也没有 发现明显的问题 。 通过讨 论分析 ，作者认为 2 N G S 0充液 阀和油缸 应该没有 问题 ，最大可能还在控制程序或者控制数值 的设 置方面。为 了更好地分析故 障原 因 ，作者录取了 该成 型机工作时的各压力 曲线 ，通过压力 曲线的分析 比较 ，终于发现了问题 的所在 。2 样 、4 油缸压制 时的 压力 曲线如图 3 示 。 第 6期 徐根涛 等 基于油缸压力 曲线 的充 液阀 “ 泄漏” 原因分析 1 1 9 白 培 l 凸 霸 } 囊 回 国 国 i j 匿 一 I Ij 墨 p 霄 霹 I ’| I C MI l F 酏h 0 H j u I I N o I H ㈣ f c h I F { J 『 O 懈 l v I I N 6 N 矾e l C h l F I O f h d I v 扎 l u N } 2 s 【 0 I 6 n 0 0 0 0 n r n J 4 4 L h 。 I “ 睢 厂7 6 N 2 1 { 3 ．1 7． } 0 0 2 。0 咖 6 5 4 v o h lM 0 0 0 0 ml r 广7 7 N O 3 0 【 d p o t n l1 7 8 1 0 ∞0 4 5 7 7 1 一 0 ∞0 I 广4 5 N 5 I 5 A D C l 4 E I J 0 2 厂阳 N 1 3 s d∞n l1 ∞ 1 0 0 0 0 4 5 7 7 1 I 4 6 N 6 1 5 A D C l 0 0 0 0 0 0 1 5 r o ll l 厂7 9 J 2 3 s f 0 p d n [】 8 0 1 0 O 0 0 4 5 7 6 7 I I 2 ， 、＼ 。 4 油 缸 的7 压 力 传 、 、～、最 大 电 压 值 l 2 ．581 v， 、 ． 、 感 器 压 力 曲 线 、，、 相 当 于2 4 7 6 7M P 。 I 1 、 ／ } 9 J ＼ 6 f 各 、 、 覆大 电 压 值9．247V， 一 { 甘当 于 1 8 234MPa f ＼／／ l ＼ 制过程 ＼ ． ＼ 、 ＼ 3 ＼ 、＼ ＼ 、 ＼ 最 小电压值一 0 ． 1 0 7V， 一＼ 相当于 一 0 ． 2 1 0 7 M P a f ＼ 上； 下 压过程 l ＼ f f ＼ ． ＼ ／ f ＼ J ＼ 0 ／ ＼ 1 3 i 4 D 0 0 0 I 3 2 43 0 D O 0 1 3 2 5 0 0 D ∞ ’ 3 2 5 0 6-0 4 6 l 3 2 5 邡 ∞ 0 1 3 ∞ ∞ 0 1 3 2 5 3 0 0 D D 1 3 2 r衄 帅口 l I r r l e 图 3压力传感器压力 曲线 该压力曲线 的横坐标为时间值 ，纵坐标为 电压值 ， 感器显示的最大 电压值 为 1 2 ． 5 8 1 V，换 算成压力值 为 0～ l 6 V代表压力值 0～ 3 1 ． 5 M P a ，呈线性关系 。在录 1 2 ． 5 8 1 X 3 1 ． 5 ／ 1 6 2 4 ． 7 6 7 M P a 。即左侧 2 液 压油 下 的曲线 图上 ，上梁下压 时左侧 2 油缸 内的压力值 一 缸在 一个压 制过程中 ，存在无杆腔压力值为负值 的情 直为负值 ，使用常规压力 表测量不 出来 ；并 且侧压 梁 况 ，可能是 2 液 压油 缸活 塞杆 被左 侧压 梁带 动 而被 压制过程中，压力是瞬间建立到最大值 的。压力值是 动动作。从 4 、7 压力传感器曲线可以看 出，两者 由显示 的电压值计算 出来 的 ，4 压 力传感器 显示 的最 的差异较大 。 大电压值为 9 ． 2 4 7 V，换算成压力值为 9 ． 2 4 7 3 1 ． 5 ／ 一 0 ． 2 1 0 7 MP a的压力能使 N G 8 0充液阀阀芯被 1 6 1 8 ． 2 M P a ，最小 电压值 为 一 0 ． 1 0 7 V，换 算成压力 动打开 吗作者查 看相关 的某公 司 的 S F A 8 0 F 0 1 X ／ 值为一 0 ． 1 0 7 X 3 1 ． 5 ／ 1 6 一 0 ． 2 1 0 7 MP a 。7 压力传 M ／ O 1 充液 阀的相关 资料 ，见 图 4 、5 。 图 4 充液 阀的结 构简图 阀开 启所需 的控制压 力计算 川 P a 黔 等 三 H 2r 1 蒿 望 舅 的 行 程 { 嗍 弹 其 刖 砰 黄 刀 通径 A1 ／ c m A， ／ c m ／ c Il l ‘ 1 ／ mm H． ／ mm Fl ， N ， N V 。 ／ c m 32 8． 04 0． 5 2 ． Ol 8 ． 5 6． 5 9 ～22 5 8～l 09 1 ． 30 40 l 3 ． 52 0． 7 85 3 3． 14 1 0 7 1 4 ～29 9 3～l 62 2 ． 20 50 21 ． 24 1． 1 3 4 ． 7l 1 2． 5 9 23 49 1 492 61 4 ． 20 63 32 ． 67 1． 7 7 7 ． 07 1 4． 5 l 1 3S 3 2 06 ～348 7 ． 8O 8 0 49 ． 02 2． 5 4 l 0． 1 8 l 7 l 3 57 ～l 27 31 0 579 l 3． 20 图 5 阀开启的控制力计算 1 2 0 机床与液压 第 3 9卷 图 4为 充液 阀 的结构 简 图 ，P口处 接 主油 路 压 力油 ，A 口接 充液 油 管 即接 高 位 油箱 ，B口处 接油缸 ，x口处接 控 制油 。冲液 阀正 常 的充液 工 作 顺 序是 x 口处 通 油 ，冲 液伐 主 阀 芯 下 移 ，A、B 口相 通 ，高位油箱 的 油进入 油缸 ，完成 充液 ；然后 X 口关 闭 ，主 阀芯上移 ，A、B口断 开 ，P口处 开始 进入 高压油 ，同时进 入 B口，开始 压制 工序 。 目前 的状况 是 x 口关 闭 ，冲压 阀 仍 然 打 开 了 ，即 A、 B口接通 了。 图 5是阀开启的控 制力计算 ，可 以看出阀开启需 要的最小力 为 FF ， F ，其 中 F 。 为 5 7～1 2 7 N， 为 3 1 0～5 7 9 N，因此 F的范围大致为 3 6 7～ 7 0 6 N。 根据压力 曲线显示的左侧 2 油缸 内最低压 力为 P 一 0 ． 2 1 0 7 M P a ，即充液 阀 B口的压力 为 一 0 ． 2 1 0 7 M P a ，充液阀主阀芯有效面积 A ． 为4 7 ． 0 23 1 1 1 ，则这 时主阀芯 受 的力 方 向 向下 为 F 0A ． P 4 9 ． 0 2 e m 一0 ． 2 1 0 7MP a 一 一1 0 1 2 ． 2 N，已远 大于 阀开启所需要 的 7 0 6 N。 从上述的计算 分析看 ，每一 个压制 循环过程 中， 该充液阀都可能打开 ，充液阀主阀芯 打开的行程可能 很短 ，但高位油 箱里 的液 压油会 不 断地进 入 到油缸 里 ，就使得 冲液管道 的温度和高位 油箱 的温度相 等。 而右侧 2 油缸 的充液 阀始终处 于关 闭状 态 ，冲液管 道里的液压油没有流动循环 ，因此一直处于车问内的 常温状态 。 4解决方案 经过对 “ u ”机控制程序的详细分析 ，发现造成 2 群 油缸上 N G 8 0充液阀误开启，即无杆腔压力值为负 值 的主要原因是左压梁 4个油缸运 动过程 中位移的不 一 致性。这需要研究 4个油缸在静 止状态时是否在一 条直线上 。 研究程序发 现 ， 4个油缸 的位 置值同另外两个 变 量有关，即每个油缸边的位移传感器值 元件 8 ，共 4个 和 偏 差 值 ，可 描 述 为 公 式 s 。 s s。 。这里的 S o f f s e t 值可 以在人机 界面上进 行修改来调 整油缸 的实 际位置 。在进行程序改进之前 ，必须分别 输人 4个油缸 s ，但是 由于在输 入值后 ，无 法对 4 个油缸 的实 际位置 的一 致性进行 有效 的测 量和确认 ， 故造成 2 油缸的 S o ff s e t 值不合适后导致位置不对 ，总是 处 于拖后位置 ，这个 拖后值 没有超过 报警 的 1 0 m m。 即 2 油缸处 的位 置传感 器根 据设定 到位 ，给 出信号 使 2 高频响 比例阀停止动作，但其他 3个位置传感 器还未到位 ，相关 的比例 阀继续保持动作 ，左压梁前 进 ，由于是整体刚性梁 ， 2 油缸被动前进 ，缸 内压力 成负值 ，2 N G 8 0充压 阀开启 。 目前 ，作者对程序进行 了一定 的改进 ，保证 4个 油缸位置在一 条直线上 。采取 的措施是禁 止修改 2 、 3 油缸的 S o ff s e t 值 ，仅允许 输入 1 、4 油缸 的 o ff e t 值 ， 通过计算 l 、4 油缸 位置 的斜率值 ，可 以进 一步算 出 2 、3 油缸 的 S o f fs e t 值 ，从而达到保持 4个油缸于一 条直线 的 目的。 5实施及 效果 对控制程序进行 了修改，修改后监控的压力曲线 图如 图 6示 l i tL * ⋯- n b 堍 暑 I 盎 ； 啭 蕾 鞠 n 1 毋 毫 嚣 n 墨 p弹 霹 匏 图 6 设定参 数修 改后 录取 的 4 } } 、7 压力传感器 的压 力曲线 下转第 1 2 7页 第 6期 刘会永 等 负载敏感系统设计需 注意的几个问题 1 2 7 设计时应注意 ，同时动作 的两个 或多个 执行机构 的负载压力不能相差太大 ，如果相差太大 ，液压 系统 将 会发 热。如图 2 ，第一联负载压力为 1 0 M P a ，第 二 联 负载压力 为 2 0 MP a ，可 以看 出 ，第 一联 阀压 力 补 偿器 阀 口上 的损失 为 2 2 ． 5 1 0 ． 61 1 ． 9 MP a ，此压 力损失将 以液压 油 发热 的 形式 消耗 在 补偿 器 的 阀 口 上 。如果持续 时间较 长 ，液 压系统将发热 。 6 M Pa I Pa M Pa 图 2负载 敏感 系统分析 2 ． 3 L S反馈油路卸荷 负载敏感 回路 中 ，液压泵 与液压阀匹配时 ，应注 意液压 阀的中位是 否有 L S的卸荷油路 。一般 负 载敏 感多路阀在 中位时 L S 都 可以通过 T口卸荷 ，如 图 2 。 所以液压系统启动时 ，其待命压力 为泵控 压力补偿器 的压力 一般厂家设定值为 1 ． 4～ 2 ． 5 MP a 。如果不 选用 多路 阀 ，而是选用普通 比例 阀，再配 以单 向阀或 梭 阀搭建 负载敏感 回路 ，则要 注意在 L s油路上要 留 有 阻尼孔 通向油箱 以便 泄压 ；如果 L s油路 上无 卸荷 阻尼孔 ，则选用 液压泵时 一定要 选用 L s有 卸荷 阻尼 孔 的。如 R e x r o t h的 A1 O V O或 A 4 V S O中 ，控 制形 式 D F R的 L S油路有卸 荷 阻尼孔 ，而 D F R 1则用 一个 堵 头替代 了这个阻尼孑 L 。 2 ． 4管路 压 力损 失 负载敏感系统通过 L s采集 最高 负载压 力 ，并将 此压力反馈给液压 泵。如果压 力油 管路或 L s管路 压 力损失较大 管路长 而细 等 ，那 么到达 阀上压力 补 偿 器 的压力将降低 。如果压力损失过 大 ，阀上压力 补 偿 器的压差 △ p将 降低 ，流量 将减 小。此时不 是 由于 泵 的流量不够大 ，而是 由于泵 的斜盘 的摆角较小 ，容 易造成不饱和的假象 。所 以设计压力管路 时应选用 相 对 较粗 的管径以减小压力损失 的影 响。 3结束语 1 负载敏感技 术可 以消除系统的溢流损失 ， 但 并不能消 除系统 的节流损失 。泵的流量输 出可与负载 的流量需求完 全匹配 ， 但泵 的输 出压 力却要 略高于负 载压力 ，即泵控 压力 补偿 器的 固定压差 。 2 负载 敏感 技术 正不 断 得 到发展 ，现 在 已经 出现 了抗饱和 回路 ，如 L i n d e公 司的 L S C阀 、R e x r o t h 公 司的 L U D V阀 、D A N F O S S公司的 P V G 1 0 0系列等 。 参 考文 献 【 1 】黄新年， 张志生， 陈忠强． 负载敏感技术在液压系统中的 应用[ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 7 5 2 83 O ． 【 2 】R e x r o t h公司产品样本及培训教材． 【 3 】H A WE公司产品样本及培训教材． 上接 第 1 2 0页 可以看出 ，4 压力传感器压力 曲线没有 出现压力 为负值 的情 况 ，和 7 压 力 传感 器压 力 曲线相 比 ，各 过程的压力差距不是很大；和修改前 的压力 曲线相 比 ，两条压 力 曲线 都有 很 明显 的改 进。左 侧 2 充 液 阀充液管道 温度 高的现象再也没有 出现过 。实 际上处 理 了一个 “ 潜伏 ” 的设 备故 障 。 6结 束语 随着现代设备 制造水 平的提高 ，控制程序也越来 越复杂 ，与此 同时 ，控制 元件也越来越先进 。如该 案 中的压力传感器和位置传感器的广泛使用 ，为人们分 析和解 决设备故 障提供 了有效 的工具 ，如果还是使 用 常规 的压力表检测压力来分析故 障原 因 ，当然得不 出 符 合实 际的解释 。同样 ，完 全消 化和理 解控 制程序 ， 也是尽 快解 决故障 的途径 。 参考 文献 【 1 】雷天 觉 ． 液压 工 程 手册 [ M] ． 北 京 机 械 E业 出版 社 ， 1 99 0． 【 2 】G B ／ T 7 8 6 ． 1 - 9 3 ， 液压气动图形符号[ s ] ． 北京 中国标准 出版社 ， 1 9 9 3 ． 1 0 ．