液壓卡緊現(xiàn)象的故障分析

陳治（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城224051）

液壓卡緊現(xiàn)象的故障分析

陳治
（鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇鹽城224051）

液壓卡緊是在處理液壓系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)經(jīng)常遇見的問(wèn)題，有時(shí)會(huì)引起嚴(yán)重的事故，為了提高液壓系統(tǒng)工作的可靠性，針對(duì)液壓卡緊故障的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析并提出了一系列可行的措施。

液壓卡緊；故障分析；措施

0　前言

隨著機(jī)械設(shè)備使用時(shí)間的增長(zhǎng)，液壓系統(tǒng)的閥芯容易出現(xiàn)卡緊的故障。一旦出現(xiàn)液壓卡緊故障，輕則影響設(shè)備的正常使用，降低設(shè)備的使用壽命，重則將造成重大的安全事故。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的液壓卡緊故障進(jìn)行了仔細(xì)的分析，同時(shí)提出了若干條解決該問(wèn)題的措施。

1　液壓卡緊現(xiàn)象的概念及影響因素

一般而言，液壓卡緊現(xiàn)象是指液體在流經(jīng)閥芯與閥體之間的縫隙的時(shí)候，通過(guò)施加在閥芯上的力（徑向不平衡力）而導(dǎo)致閥芯卡住，不能運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。在操作液壓系統(tǒng)進(jìn)行工作時(shí)，假如使用的液壓閥出現(xiàn)了卡緊的故障，若產(chǎn)生的是輕微的力（徑向不平衡力），則會(huì)使閥芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中阻力變大，導(dǎo)致液壓換向閥換向動(dòng)作緩慢。如果力過(guò)大就會(huì)使閥芯被卡住，造成液壓換向閥不能運(yùn)動(dòng)。

造成液壓卡緊現(xiàn)象的因素有很多種，比如進(jìn)口壓力、閥芯材料、雜質(zhì)和停留時(shí)間等等。通過(guò)文獻(xiàn)[1]可知，由于高壓時(shí)進(jìn)口閥的閥套會(huì)膨脹，所以閥芯的進(jìn)口壓力越大其卡緊力也越大。在文獻(xiàn)[2]中可知，閥芯材料不同時(shí)相同條件下其卡緊力也不同，同時(shí)閥芯材料的摩擦系數(shù)和閥芯的卡緊力符合一定的函數(shù)關(guān)系。另外，在1～5分鐘內(nèi)閥芯的停留時(shí)間和卡緊力成正比，當(dāng)停留時(shí)間大于5分鐘時(shí)卡緊力趨于穩(wěn)定。

2　液壓系統(tǒng)卡緊故障原因分析

造成液壓系統(tǒng)出現(xiàn)卡緊故障的原因有很多種，但一般液壓卡緊故障可以分為兩大類，一類是機(jī)械原因造成的卡緊故障，另一類是液壓閥原因造成的卡緊故障[3]。下面分別對(duì)這兩大類原因進(jìn)行分析。

2.1機(jī)械原因造成的卡緊故障

手動(dòng)換向閥的閥孔和閥芯在加工過(guò)程中存在著一定的直線誤差且閥芯比較長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)操作換向閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力有時(shí)會(huì)作用在閥芯上使閥芯發(fā)生彎曲，從而增大閥芯和閥孔之間的摩擦，同時(shí)增大兩者的壓力，阻礙閥芯的運(yùn)動(dòng)造成機(jī)械卡緊。由于干式電磁閥上電磁鐵的推桿所使用的是動(dòng)密封，其摩擦系數(shù)較大，因閥芯的兩端各有一個(gè)中心孔，如果中心孔比推桿尺寸大，推桿放入閥芯的中心孔會(huì)傾斜，會(huì)使閥芯運(yùn)動(dòng)受阻。

閥芯在加工完成后，如果在轉(zhuǎn)移時(shí)閥芯發(fā)生碰傷，這時(shí)閥芯的局部就會(huì)出現(xiàn)凸起。此時(shí)，液壓流在凸起部分的作用下會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力矩，這一力矩會(huì)將凸起部分壓向閥孔。設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在閥芯上開個(gè)環(huán)形槽，其目的就是為了減少?gòu)较虿黄胶鈮毫?。由于環(huán)形槽在熱處理前就已經(jīng)加工出來(lái)，所以熱處理后再進(jìn)行精加工所產(chǎn)生的變形，會(huì)使磨削后環(huán)形槽深度不同。

對(duì)于組合式的多路換向閥而言，造成其產(chǎn)生液壓卡緊問(wèn)題的主要原因是閥孔變形從而造成機(jī)械卡緊使液壓系統(tǒng)無(wú)法動(dòng)作。造成閥孔變形的原因主要有以下幾個(gè)因素：第一，結(jié)合面的平面誤差；第二，結(jié)合面有凸起的磕傷；第三，組合螺栓的預(yù)緊力過(guò)大[4]。

另外，閥孔和閥芯之間的間隙過(guò)小造成摩擦，液壓油中的鐵屑、砂礫等雜質(zhì)也會(huì)造成液壓系統(tǒng)的卡緊現(xiàn)象。在液壓閥的實(shí)際安裝過(guò)程中，如果螺栓的扭矩設(shè)計(jì)不合理，同樣會(huì)造成閥孔的變形，增大閥孔和閥芯之間的摩擦力造成液壓卡緊。液壓閥的閥芯和閥孔在配合時(shí)，如果配合間隙較大，形位公差較大，液壓油在流經(jīng)間隙時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生徑向不平衡力，致使閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)變得更加困難。

2.2液壓閥原因造成的卡緊故障

2.2.1徑向不平衡力造成液壓卡緊

徑向不平衡力是造成液壓卡緊最主要的因素之一，此力的產(chǎn)生主要與滑閥副的加工誤差有關(guān)。徑向不平衡力的產(chǎn)生主要受兩方面因素影響，首先幾何形狀誤差會(huì)產(chǎn)生徑向不平衡力，其次同軸度誤差會(huì)產(chǎn)生徑向不平衡力[5]。在高壓情況下，液體流經(jīng)液壓閥的間隙時(shí)，如果錐形縫隙沿著液體流動(dòng)的方向是越來(lái)越大的，那么就會(huì)出現(xiàn)所謂的液壓卡緊問(wèn)題。

（1）如果閥芯和閥孔在加工時(shí)都不存在幾何形狀誤差，那么在裝配時(shí)，如果閥芯被歪斜放置在閥孔中，或者有雜質(zhì)進(jìn)入間隙，致使閥芯在閥孔中的相對(duì)位置關(guān)系發(fā)生變化引起的偏斜等，這種偏斜產(chǎn)生的徑向不平衡力一般都是較大的。

圖1　形位誤差造成的液壓卡緊

（2）如果閥芯在加工時(shí)存在誤差形成倒錐時(shí)，那么閥芯的軸線和閥孔的軸線雖然會(huì)平行但是絕不會(huì)重合，即產(chǎn)生偏心。施加在閥芯上的不平衡力會(huì)使液壓閥中閥芯與閥孔之間的偏心矩變得越來(lái)越大，當(dāng)二者的表面直接接觸后卡緊現(xiàn)象就會(huì)隨之產(chǎn)生。

2.2.2系統(tǒng)工作壓力偏高造成液壓卡緊

液壓系統(tǒng)的工作壓力過(guò)高會(huì)造成液壓卡緊故障，閥芯和閥孔在壓力的作用下會(huì)產(chǎn)生形變從而增加兩者的摩擦，同時(shí)造成閥的泄漏增大，液壓油和閥體的溫度升高。在工作壓力較高的情況下，閥芯所處的油溫是高于閥孔所處的油溫的，因此閥芯和閥孔的膨脹程度不一致導(dǎo)致兩者之間的間隙縮小發(fā)生卡緊故障。系統(tǒng)工作流量偏大，閥從通到斷、從斷到通或換向時(shí)，由于液動(dòng)力對(duì)閥芯有很大的沖擊，使閥芯偏離中心位置，產(chǎn)生液壓卡緊。另外，大部分液壓元件都避免不了內(nèi)泄漏現(xiàn)象的發(fā)生，內(nèi)泄漏若沒有使用通道或其通道較小，則會(huì)導(dǎo)致原件回油不順暢，會(huì)使閥芯很難移動(dòng)。

3　解決液壓卡緊問(wèn)題的方法

3.1提高液壓系統(tǒng)的機(jī)械加工精度和裝配質(zhì)量

在機(jī)械加工過(guò)程中，類似閥芯零件所有的中心孔基本是全部加工程序的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在進(jìn)行精加工之前要對(duì)熱加工的中心孔周圍進(jìn)行細(xì)致打磨修整，以做到最小的形位公差和最好的外表質(zhì)量。盡量減小熱加工的形變量。細(xì)長(zhǎng)的閥芯使用20Cr型鋼材，熱加工后的形變小，并且能最長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持閥芯原有的尺寸。

一般以珩磨和研磨方式修復(fù)閥孔的精度。大批加工閥孔時(shí)，使用金剛石材質(zhì)的絞刀，以減小形位公差和尺寸誤差。精加工之后要仔細(xì)去除毛刺，倒鈍銳邊。銳邊部位不能修圓或倒角，避免影響軸尺寸，以伺服閥上的控制邊為例。應(yīng)均勻各結(jié)合面與連接螺釘之間的緊固力，避免組合式螺栓的預(yù)緊力過(guò)大。要嚴(yán)格遵守配裝工藝規(guī)定。實(shí)測(cè)各配件尺寸及形位公差要根據(jù)規(guī)定選擇裝配間隙。嚴(yán)格把控閥芯與閥孔之間的精度，通常閥芯圓潤(rùn)度及圓柱度要控制在0.100 3mm內(nèi)[6]。

3.2減少油液污染和降低溫升

保證液壓系統(tǒng)的清潔度，防止油液被污染。在閥的進(jìn)口，應(yīng)按相關(guān)準(zhǔn)標(biāo)或廠家要求選用適用的過(guò)濾器，保證油液的過(guò)濾精度不得低于0.03m m。由于油液和外界不能進(jìn)行充分熱交換，在溫升較快的系統(tǒng)中，特別是閉式系統(tǒng)，必須裝有高效的冷卻器，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)冷卻，以防溫度過(guò)高引發(fā)液壓卡緊。

3.3使閥芯和閥孔相互振動(dòng)

采用閥芯和閥孔兩者沿軸向方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式能夠有效地減小閥芯在動(dòng)作過(guò)程中受到的阻力，這種方式在比較精密的液壓系統(tǒng)中受到廣泛的采用。采用閥孔和閥芯相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方式能夠大大降低閥芯受到的摩擦力。在試驗(yàn)中若兩者相對(duì)的運(yùn)動(dòng)頻率采用10～90 Hz，振幅為0.1～0.2mm，能夠?qū)㈤y芯在操縱過(guò)程中受到的摩擦力降低為原來(lái)的4%～5%左右，另外如果采用電磁偏心運(yùn)動(dòng)方式時(shí)閥芯和閥孔相對(duì)運(yùn)動(dòng)效果更好[7]。

3.4在滑閥類閥芯上做環(huán)式均壓槽

在實(shí)際的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，環(huán)形均壓槽能夠很好地消除徑向不平衡力，原理如圖2所示。在圖2中能看出，若不做環(huán)式槽，虛線A2和A3所圍成面積，為向上徑向不均衡壓力。做環(huán)式槽后，環(huán)式槽把p2到p3間壓力化分為幾段，使徑向向上的不均衡壓力為曲線B2和B3所圍成陰影面的面積，因此其能夠很好地改善不平衡力。

圖2　環(huán)形均壓槽機(jī)構(gòu)及原理

3.5改進(jìn)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上文的分析可知，現(xiàn)有液壓系統(tǒng)中存在一定的設(shè)計(jì)缺陷，這些缺陷增加了液壓卡緊故障的發(fā)生幾率。為了增強(qiáng)液壓系統(tǒng)工作的可靠性，需要對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。比如可以將閥芯制成倒錐的形狀，小端朝著高壓腔，這樣能夠很好地降低徑向不均衡壓力。另外還可以采用濕式電磁鐵代替干式電磁鐵，其電磁鐵推桿以端面靜密封替代動(dòng)密封，從而能夠有效地減小閥孔和閥芯之間的摩擦力，閥芯靈活移動(dòng)降低液壓卡緊故障發(fā)生的幾率。

4　結(jié)束語(yǔ)

研究液壓卡緊故障的原理及解決措施對(duì)提高機(jī)械系統(tǒng)的可靠性和保證設(shè)備的正常工作具有重要的意義。液壓系統(tǒng)中換向閥的滑閥液壓卡緊問(wèn)題是共性現(xiàn)象，不只有換向閥存在這樣的問(wèn)題，其也存在于其他類型液壓控制閥。通過(guò)上文的分析可知降低甚至避免液壓卡緊問(wèn)題的出現(xiàn)，需要從改善相關(guān)技術(shù)，限制配合的偏心量、間隙和徑向不均衡壓力等這些方面進(jìn)行著手研究。

［1］江澤欣.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的故障與修理［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］章宏甲.金屬切削機(jī)床液壓傳動(dòng)［M］.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［3］陸望龍.使用液壓機(jī)械故障與修理大全［M］.長(zhǎng)沙：湖南科技出版社，1999.

［4］陳虹微.液壓卡緊的影響因素及診斷和防治［J］.煤礦機(jī)電，2005（4）：50-52.

［5］張玉春，王良曦.汽車主動(dòng)懸掛控制的研究現(xiàn)狀和未來(lái)挑戰(zhàn)［J］.控制理論與應(yīng)用，2012，20（1）：139-145.

［6］李偉.滑閥機(jī)構(gòu)液壓卡緊無(wú)傳感器診斷方法研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010（4）：436-438.

［7］陳虹微.液壓卡緊的影響因素及診斷和防治［J］.煤礦機(jī)電，2011（4）：50-52.

(編輯：王智圣)

Failure Analysisof Hydraulic Clam ping Phenomenon

CHEN Zhi
（Yancheng Biological Engineering Higher Vocational Technology School，Yancheng224051，China）

Hydraulic clamping is often encountered in dealing with the issue of hydraulic system problems，which can cause a serious accident sometimes.This paper analyzes the causes of hydraulic clamping and proposed a series ofmeasures to improve the reliability of thehydraulic system.

hydraulic clamping；failureanalysis；measure

TH137

A

1009－9492(2015)04－0142－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.038

2014－11－24

陳治，男，1967年生，江蘇阜寧人，大學(xué)本科，講師。研究領(lǐng)域：機(jī)械、機(jī)電。