某重型起重機(jī)支腿鎖故障診斷與改進(jìn)

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(1.三一汽車起重機(jī)械有限公司 研究院， 湖南 長沙　410600；2.江西科技學(xué)院 工程中心， 江西 南昌　330098)

引言

支腿鎖是汽車起重機(jī)在駐車時(shí)非常重要的安全保護(hù)鎖，讓起重機(jī)在負(fù)載情況下，鎖住支腿油缸兩腔的油液，用油液的不可壓縮性來支撐起重機(jī)所承載的重量。

當(dāng)支腿鎖出現(xiàn)故障時(shí)，如果是有泄漏，則會(huì)在負(fù)載時(shí)導(dǎo)致時(shí)車身下沉，發(fā)生安全事故； 如果是在伸縮支腿時(shí)閥芯打不開，則會(huì)在油缸內(nèi)產(chǎn)生高壓，損壞油缸。

1　故障現(xiàn)象與測試分析

1.1　故障現(xiàn)象

在對(duì)某起重機(jī)調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單伸某一根支腿油缸時(shí)，支腿油缸部位會(huì)緩慢伸出并伴隨著刺耳的異響，甚至有液壓油從支腿油缸有桿腔的導(dǎo)向套處滲漏出來的情況發(fā)生。

從圖1所示的工作原理可看出：如果支腿油缸的無桿腔進(jìn)高壓油時(shí)，假設(shè)雙向支腿鎖連接在油缸有桿腔的閥芯未打開，則會(huì)在有桿腔產(chǎn)生高壓，而該高壓將閥芯打開了，則打開的瞬間產(chǎn)生較大的沖擊，若閥芯在高壓下仍然打不開，則會(huì)損壞油缸內(nèi)部的密封件。

1.支腿油缸　2.支腿鎖　3.換向閥圖1　支腿原理圖

1.2　現(xiàn)場測試

為了找到在油缸伸出時(shí)產(chǎn)生刺耳異響的原因，筆者在有桿腔接入了壓力傳感器及手持式壓力曲線記錄儀，實(shí)時(shí)記錄了在油缸伸出過程中的壓力變化曲線，該測試是在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速(650 r/min)以及高速(發(fā)動(dòng)機(jī)1200 r/min)兩種工況下進(jìn)行的。

如圖2所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在650 r/min時(shí)，通過支腿鎖進(jìn)入支腿油缸無桿腔的流量較小，同樣，從支腿油缸有桿腔通過支腿鎖的流量也較小，在前20 s的時(shí)間內(nèi)，支腿有桿腔的壓力在200 bar以內(nèi)，后面的壓力在10 s內(nèi)上升到了320 bar，這說明有桿腔的油被憋住了，產(chǎn)生了高壓。

圖2　有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動(dòng)機(jī)650 r/min時(shí))

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在1200 r/min時(shí)，通過支腿鎖進(jìn)入支腿油缸無桿腔的流量較大，如圖3所示，幾乎是在一開始，油缸有桿腔的壓力便上升到了300 bar，并迅速上升到驚人的550 bar。

圖3　有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動(dòng)機(jī)1200 r/min時(shí))

1.3　原因分析

正常工況下，當(dāng)支腿油缸無桿腔進(jìn)壓力油時(shí)，其無桿腔的壓力應(yīng)該只是起重機(jī)的自重作用在活塞工作面上產(chǎn)生的壓力，而其有桿腔由于無外力作用，應(yīng)該只有油管及閥芯等處產(chǎn)生的回油背壓，但是測試顯示其油缸有桿腔的壓力有200 bar以上。這說明在無桿腔進(jìn)油時(shí)，支腿油路并不暢通。從支腿油路的原理圖(圖1)來看，可能是支腿鎖產(chǎn)生了故障，故需要從該支腿鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)著手，圖4是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。

圖4　支腿閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

從結(jié)構(gòu)圖可知，其閥體內(nèi)部的控制活塞直徑與主級(jí)閥芯直徑相等，均為15 mm，先導(dǎo)閥芯的直徑是5 mm，故控制活塞與主級(jí)閥芯的面積比是:

而活塞與先導(dǎo)閥芯的面積比為：

假如A1連接無桿腔，B1連接有桿腔，該液壓鎖工作原理如下：

收縮支腿時(shí)，由于起重機(jī)整個(gè)重量由四條支腿支承，根據(jù)起重機(jī)自重估算出無桿腔A1口壓力，比如:

pA1=200 bar，則根據(jù)面積比，先導(dǎo)壓力為：

pX=pA1/9=200/9=22.2 bar時(shí)先導(dǎo)級(jí)閥芯打開，先導(dǎo)級(jí)閥芯打開后，由于進(jìn)油阻尼和回油阻尼都是1 mm，彈簧腔的壓力:

pt=(pA1-pA)/2

當(dāng)由B口進(jìn)油時(shí)，A口的壓力就是系統(tǒng)的回油背壓，現(xiàn)假如回油背壓為20 bar，則彈簧腔的壓力：

pt=(pA1-pA)/2=(200- 20)/2=90 bar

由于彈簧腔壓力較高，主級(jí)閥芯會(huì)一直保持關(guān)閉狀態(tài)，直到支腿油缸慢慢縮至起重機(jī)的車輪接地。輪胎接地后，車身的重量壓在輪胎上，故支腿油缸承受的力大幅度減小，油缸無桿腔的壓力pA1也會(huì)下降至一個(gè)較小的值，同時(shí)彈簧腔的壓力也降低，此時(shí)主級(jí)閥芯打開，允許較大的流量通過，從而使支腿快速收起。

相反，在伸支腿時(shí)，B1側(cè)液壓鎖起作用，只打開先導(dǎo)級(jí)液壓鎖時(shí)，通油流量很小，隨著無桿腔進(jìn)油口A的壓力增加，有桿腔的壓力pB1也要增加，同樣假如回油背壓為20 bar，同樣由于進(jìn)油阻尼與回油阻尼都為1 mm，先導(dǎo)壓力要達(dá)到多少才能打開主級(jí)閥芯，可以通過實(shí)際測試得到。經(jīng)過測試，如圖3所示，pB1達(dá)到了550 bar，則其先導(dǎo)壓力應(yīng)為：

pt=(pB1-pB)/2=(550-20)/2=265 bar

主級(jí)才能打開，但實(shí)際工況是，主系統(tǒng)的壓力設(shè)定在20 MPa，故主級(jí)閥芯一直不能打開。因此，油缸的活塞桿在這樣的高壓小流量工況下產(chǎn)生緩慢爬行及刺耳的異響，并對(duì)油缸產(chǎn)生破壞性的影響。

2　改進(jìn)對(duì)策及驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，改進(jìn)方法有如下兩種：

第一種方法：降低連接油缸有桿腔側(cè)的主閥芯彈簧腔的壓力開啟等級(jí)，讓較低的先導(dǎo)壓力即可打開主級(jí)閥芯，及時(shí)通過大流量，避免憋壓，這可以通過改變?cè)搨?cè)主級(jí)閥芯的進(jìn)油阻尼孔徑與出口阻尼孔徑的比值來實(shí)現(xiàn)；

第二種方法是取消這種油缸的進(jìn)、回油雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)，而改用油缸無桿腔側(cè)用液控單向閥，有桿腔側(cè)用順序閥加單向閥來降低閥芯的開啟壓力；根據(jù)實(shí)際工程需要，選擇了第二種方法，只保留無桿腔的液壓單向鎖結(jié)構(gòu)，而將有桿腔的回油采用單向順序閥的結(jié)構(gòu)，其原理如圖5所示。

圖5　改進(jìn)后的支腿原理圖

從圖5可看出，油缸的無桿腔仍然采用液控單向閥的結(jié)構(gòu)，而油缸的有桿腔采用了單向閥加順序閥的結(jié)構(gòu)，在油缸的活塞桿縮回在缸筒內(nèi)時(shí)，有桿腔只承受活塞桿的自重所產(chǎn)生的壓力，故可以利用順序閥的背壓來保持活塞桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而在油缸伸出時(shí)，只要克服順序閥的設(shè)定背壓即可。改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　改進(jìn)后的閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

分析改進(jìn)后的支腿鎖原理可知，有桿腔采用這種結(jié)構(gòu)還具有熱溢流功能，當(dāng)支腿油缸兩腔的油液溫度升高后，由于無桿腔的容積遠(yuǎn)大于有桿腔，故溫升對(duì)油液體積的影響會(huì)遠(yuǎn)大于有桿腔，無桿腔的油液的體積隨溫度升高而膨脹，從而會(huì)在活塞上產(chǎn)生一個(gè)壓力，推動(dòng)活塞桿產(chǎn)生外伸的運(yùn)動(dòng)趨勢，從而會(huì)使有桿腔壓力升高。使用這種原理的支腿鎖后，有桿腔的高壓只要高于順序閥的設(shè)定壓力值，就會(huì)經(jīng)順序閥卸荷，從而有效保護(hù)油缸。

支腿鎖的閥芯結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，在同樣的工況下再一次對(duì)支腿油缸的有桿腔壓力曲線進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

從圖7可以看出，當(dāng)作伸油缸動(dòng)作時(shí)，其有桿腔在開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力波動(dòng)很小，開啟后一直保持在一個(gè)較低的壓力值(50 bar)，該值為順序閥的壓力設(shè)定值，油缸在這樣的背壓下運(yùn)動(dòng)，不會(huì)產(chǎn)生異響，也不會(huì)對(duì)油缸的活塞及導(dǎo)向套的密封件產(chǎn)生惡性影響。

圖7　改進(jìn)后有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動(dòng)機(jī)在650 r/min)

分析圖8的壓力變化曲線可知，應(yīng)用這種改進(jìn)后的液壓鎖，即使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，對(duì)有桿腔的壓力影響也非常有限，基本與圖7的壓力曲線保持了一致，從而有效避免了在有桿腔產(chǎn)生高壓的缺陷。

圖8　改進(jìn)后有桿腔壓力變化曲線(發(fā)動(dòng)機(jī)在1200 r/min)

3　結(jié)論

針對(duì)某起重機(jī)支腿在伸縮時(shí)產(chǎn)生的普遍故障現(xiàn)象采取深入分析垂直油缸上、下兩腔各自的工作特點(diǎn)，以及控制油缸進(jìn)回油的液壓鎖內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采取有針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，有效避免了主級(jí)閥芯打不開而造成的憋壓問題。通過對(duì)支腿鎖閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障點(diǎn)的有效排除，同時(shí)還可以形成新的油缸保護(hù)方法。而且，采用這樣的改進(jìn)閥體內(nèi)部閥芯結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，無需修改液壓管路及安裝孔位置，在裝配以及其他車輛的整改時(shí)與舊方案有互換性，也降低了整改成本，對(duì)其他的故障分析及解決具有一定的借鑒意義。

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