液压机液压故障诊断分析

 液压机液压故障诊断维修（二）

    某厂进口的HPM. 200L压机、国产100t四柱整形压机都出现了类似故障：正常压制一段时间以后，油液温度升高，系统压力急剧下降。经仔细检查都是电磁溢流阀引起的。

(1)结构分析

    电磁溢流阀组件主要是由压力阀插件、先导调压阀、电磁阀换向阀组成（有的还携带缓冲阀），如图V(a)所示。这种形式的电磁溢流阀在液压系统中应用非常普遍，它主要控制系统的加载与卸载，下面就它的开启过程进行分析。

    ①当压力阀插件A口通压力油时，此压力油除直接作用于主阀芯下腔外，还通过阻尼孔R1、R2进入控制腔C和先导调压阀2的进油口，当p_A低于先导调压阀的设定压力(p₁)时，有p_A=p_V=p_C，无液流产生，由于此时压力阀主阀芯上、下两腔的压力相等，且对于压力阀插件而言，上腔（C腔）的作用面积S_C大于或等于下腔（A腔）的作用面积S_A，再加上弹簧力F作用，则有(p_CS_C+F》p_AS_A，p_C =p_A，S_A≤S_C，主阀芯可靠关闭。

    ②当p_A继续增高，且p_A>p₁时，先导调压阀开启，进口压力油经R₁支路至先导调压阀回油箱，此时由于阻尼孔R₁的阻尼作用，即阻尼孔前后出现压差(p_A -pV)，有p_A>p_V，而此瞬时因R₂无液流产生，所以有p_V=p_C =p₁；p_A继续增高，当压差（p_A - p_v）足够大时，因压差形成的向上的液压力大于弹簧力F，（p_AS_A -p_cS_c）>F，压力阀插件主阀芯上移，主阀阀口开启，电磁溢流阀开始起溢流作用，在此开启过程中，因R₂的阻尼作用，有p_C>p_V =p₁，当压力阀插件主阀芯开度一定时，先导调压阀芯、主阀芯分别处于压力平衡状态，此时有p_V -p_C =p₁，在压力平衡状态下的稳态方程如下：

    主阀芯流量

                    q=C_dπDY(2/ρp_A )^1/2                         (1-1)

    主阀芯平衡方程

                  p_AS_A =p₁S_C+K(Y₀+Y)+C_KπDY(sin2β) p_A               (1-2)

    先导调压阀流量

                    q₁=Q_R1=(πφ⁴ /128μl)(p_A-p₁)                  (1-3)

式中  C_d——主阀流量系数；

       D——主阀芯直径；

       K——主阀弹簧刚度；

      C_K——主阀流量参数(CK =CdCy)；

      C_V——速度系数；

      Y₀——主阀预压缩量；

       Y——主阀开口长度；

      β——主阀芯半锥角；

       q——主阀芯阀口流量；

      q₁——先导调压阀流量等于R1的流量qRI；

      μ——油液黏度；

   l，φ——阻尼孔R1长度和直径。

    这就是整个电磁溢流阀的开启过程，显然先导调压阀的设定压力值p₁决定p_A。

(2)故障分析

这是电磁溢流阀的正常开启过程。实际上由于长期使用，电磁换向阀的阀芯与阀体的配合间隙增大，其泄漏量也增大，尤其是电磁换向阀采用的滑阀式换向控制方式，其阀芯封油长度短，阀芯直径小，更增大了电磁换向阀泄漏量对油压及温度的敏感度。对于零开口滑阀，其泄漏量计算公式：q_X=(πWC³_r/32μ)P_V。可知电磁换向阀泄漏量q_X正比于阀芯、阀体的径向间隙C_r的三次方，可见润滑对其密封间隙的要求是相当高的，C_r的微量增加导致泄漏量的急剧增大，另外温升T也导致了泄漏量的增大，因为黏度系数∥线性反比于温升，为了便于分析，将关闭状态的电磁换向阀视作一个阻尼R₃，此阻尼R₃值与C³_r成反比，与油液黏度μ成正比，W为阀芯面积梯度，如图V(b)所示。

    显然，R₁与R₃是串联的(R₁、R₂、R₃为液阻)，电磁溢流阀组件正常关闭状态时：

R₁=常量，R₂=常量。

    R₁的流量：

                   q_R1=(πφ⁴/128μl)(p_A-p_V)                      (1-4)

    电磁换向阀泄漏量：

                      q_X=(πWC³_r/32μ)p_V                          (1-5)

                           q_R1=q_X                                (1-6)

    由上述3个公式及图V可推导出如下关系。

    若R3增大（实为C_r与μ变化），因R₁与R₃是串联的，在同等工况下（p_A值相同），则流量q_X (q_R1)减小，压差（p_A - p_V）减小，p_V增大，对于整个电磁溢流阀组件而言，这正是所期望的。此时与R3相关的电磁换向阀泄漏量减少，(p_A - p_V)的减小导致压力阀插件主阀芯难以开启，R₃增大表明电磁换向阀处于正常的状态，只有当p_A升至先导调压阀开启(p₁)时电磁溢流阀组件才开启。

若R₃减小（实为C_r与μ变化），因R₁与R₃是串联的，在同等工况下(p_A值相同)，则q_X (q_R1)增大，压差(p_A - p_V)增大，p_V减小，对于整个电磁溢流阀组件而言，处于非正常的状态。取极限状态：R₃ =0，则先导调压阀被短路，完全不起作用，电磁溢流阀完全开启。可见R₃的减小导致了泄漏量的增大，而泄漏量的增大使得压差也增大，当压差(p_A - p_V)达到克服弹簧力时，主阀芯微量开启，而此时的p_A值则没有达到所要求的开启压力。因此，当R₃值的减小达到影响电磁溢流阀的正常工作时，有0<p_A≤p₁。这表明：

在滑阀式液控系统中，因为滑阀的泄漏很小，系统加压时，由于泵的补偿作用，不会产生压力损失；但在插装式电磁溢流阀结构中，由于阻尼R₁的反馈作用，泵对滑阀泄漏的补偿无法正常实现，反而导致了插装式电磁溢流阀的不正常开启。

(3)实例分析

事实上，在现有的插装阀液压系统中，出现了很多压力下降的情形，而且此时泵源压力(p_P)：0<p_P<p₁。经过仔细检查后，排除了泵、缸及其他方向流量阀出现故障的可能。下面对100t四柱压机进行实例分析，如图W所示。

    为方便起见，截取原液压图的一部分，此液压系统很简单：在主缸活塞下降时，CT3、CT2、4DT、6DT、5DT通电，主缸活塞快速下行；当接触到行程开关K₄时，6DT断电，7DT通电，主缸活塞慢速加压，并进入整型模具，系统全压输出；当接触到行程开关K₄时，工作到位，CT3、CT2、4DT、7DT、5DT断电，系统释压延时到发信，CT2、CT3、3DT通电，主缸活塞回程。

    但是，在运行一段时间(1～2h)、油温升高以后，系统压力只能达到9MPa左右，而要求的整形压力是16MPa左右，造成主缸活塞中途停下，无法整形到位，系统压力明显不足。

    据了解，此设备一直存在压力不足的问题，不过以前没有现在明显。再加上产品数量不多，可以停停歇歇的，一旦产品数量提高，问题就凸显出来。这说明故障是长期形成的，不是突发故障，由此我们考虑可能是系统泄漏的问题。

    首先考虑到系统压力是由柱塞泵提供的，齿轮泵只提供流量。在空运行状态下，先检测液压泵，认为有可能是柱塞泵内泄漏严重，因为油温升高也可以导致类似故障。为此，手动操纵电磁阀CT3，发现空运行状态下，泵源最高压力也只能达到9MPa左右，而当油温冷却后再手动操纵电磁阀CT3，泵源最高压力却能达到32MPa左右。因而排除了3DT、4DT所控制的液压阀产生故障及串腔的可能，由于换泵也无济于事，也排除了泵的问题。

    其次可能是电磁溢流阀组件有泄漏。经仔细检查，没发现明显的机械故障，并做了压力阀主阀芯的泄漏实验，也没有问题。

    还有可能是集成块有缝隙。整个拆开后最初没发现问题，后来经过分析，发现原来是非常隐蔽的电磁换向阀出了问题。

    结论：电磁换向阀的阀芯与阀体配合间隙过大、温升明显时，油液黏度降低，使微泄漏增加，导致主阀芯微量开启。原因找到了，只需更换电磁换向阀即可。这也给我们以启示：为使先导调压阀泄漏减少，应尽量采用阀芯与阀体间隙小且配合段长的电磁换向阀。