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      液壓缸內(nèi)泄在線快速判斷方法及應(yīng)用

      2022-06-12 03:06:28劉慶濤
      鞍鋼技術(shù) 2022年3期
      關(guān)鍵詞:桿腔截止閥活塞桿

      劉慶濤

      (本鋼板材煉鐵總廠,遼寧 本溪 117000)

      目前,國內(nèi)檢測液壓缸內(nèi)泄的方法主要有:專用測試裝置法,需要將被測試的液壓缸運(yùn)送到實驗室,在專用實驗臺上測試[1-2];外部加負(fù)載法,在活塞桿上作好位置標(biāo)記,檢查活塞桿的位置是否隨時間變動;盲板或堵頭法,將油缸的一腔堵死,給另一腔加壓,檢測被堵腔的壓力,若壓力上升則說明內(nèi)泄[3]。以上幾種研究方法的缺點是拆卸繁瑣,工作量大,檢測時間長,偏差大,無法準(zhǔn)確定量。國外對液壓缸內(nèi)泄問題只是給出了一些結(jié)論,而沒有說明具體的檢測方法[4]。所以,研究一種在線快速、準(zhǔn)確、定量判斷液壓缸內(nèi)泄的方法非常必要。

      1 液壓缸結(jié)構(gòu)

      液壓缸為單活塞桿雙作用液壓缸,是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件,其工作原理是基于密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率,將液體的壓力能轉(zhuǎn)換成工作機(jī)構(gòu)的機(jī)械能,用來實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動或小于360°的擺動[5]。液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

      圖1 液壓缸結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Simplified Diagram for Structure of Hydraulic Cylinder

      2 液壓缸內(nèi)泄原因分析

      液壓缸內(nèi)泄原因有三種,具體見圖2所示。

      (1)活塞密封圈損壞。密封圈安裝不當(dāng)或規(guī)格型號不適合,工作壓力過大、預(yù)加載荷過大導(dǎo)致密封圈擠出密封凹槽;另外,環(huán)境溫度過高也能造成密封圈老化開裂。見圖2(a)。

      (2)缸筒內(nèi)壁劃傷。缸體安裝時進(jìn)入異物或者活塞的滑動表面壓力高,引起燒結(jié)現(xiàn)象,于是缸體內(nèi)表面發(fā)生擠裂,被擠裂的金屬脫落,留在缸內(nèi),造成傷痕。見圖2(b)。

      (3)金屬活塞環(huán)嚴(yán)重磨損、疲勞斷裂,失去密封作用[6],見圖2(c)。

      圖2 液壓缸內(nèi)泄原因Fig.2 Causes Leading to Leakage inside Hydraulic Cylinde

      3 液壓缸內(nèi)泄判斷方法

      液壓缸系統(tǒng)簡圖見圖3。由于液壓缸活塞無桿腔面積大于有桿腔面積,根據(jù)帕斯卡原理,在同一液壓力(壓強(qiáng))的作用下,推力與面積成正比,所以無桿腔所受的推力大于有桿腔所受的推力,致使活塞桿向外伸出,以此作為判斷液壓缸是否內(nèi)泄的依據(jù)。具體步驟如下:首先,電磁閥電磁鐵a得電,待液壓缸活塞桿向內(nèi)全部縮回后,電磁鐵a失電,電磁閥閥芯回到中位,同時,關(guān)閉截止閥A和B。然后,打開截止閥B,繼續(xù)讓電磁鐵a得電,此時觀察液壓缸活塞桿是否向外伸出,如果不向外伸出,說明液壓缸無內(nèi)泄;否則說明液壓缸有內(nèi)泄。

      圖3 液壓缸系統(tǒng)簡圖Fig.3 Simplified Diagram for System of Hydraulic Cylinder

      D為液壓缸活塞直徑,d為液壓缸活塞桿直徑,S1為液壓缸活塞面積,S2為液壓缸活塞桿截面積,S3為液壓缸活塞有桿腔環(huán)形面積。

      則有:

      F1為液壓缸活塞面積所受推力,F(xiàn)2為液壓缸活塞環(huán)形面積所受推力,P為液壓力,由帕斯卡原理:F=PS,則有:

      由上式得出,在液壓力相同的情況下,液壓缸活塞所受推力與活塞有效面積成正比,液壓缸活塞桿向外伸出的推力大于縮回的拉力,即:F1>F2。因為液壓缸活塞無桿腔有效面積大于有桿腔有效面積,如果液壓缸存在內(nèi)泄,那么有桿腔與無桿腔導(dǎo)通,有桿腔中的液壓油會從活塞與缸筒內(nèi)壁之間的間隙進(jìn)入到無桿腔,由于截止閥A處于關(guān)閉狀態(tài),所以液壓缸活塞桿向外伸出。如果活塞桿已經(jīng)縮回到端點,處于過載保護(hù)狀態(tài),原地不動,則說明液壓缸不內(nèi)泄。

      υ缸為液壓缸運(yùn)動速度,Q為液壓缸內(nèi)泄流量(即為液壓缸流量),υ桿為活塞桿運(yùn)動速度,L為活塞桿行程,t為活塞桿整個行程運(yùn)動時間(可以通過秒表測量得到),則:

      由于液壓缸速度等于液壓缸活塞桿的運(yùn)動速度,所以得出:

      由式(9)可知,液壓缸內(nèi)泄流量Q與活塞桿運(yùn)動速度υ桿成正比,即運(yùn)動速度越快,液壓缸內(nèi)泄越嚴(yán)重。同理可得,液壓缸內(nèi)泄流量與液壓缸活塞桿整個行程運(yùn)動時間成反比,即活塞桿整個行程運(yùn)動時間越短,液壓缸內(nèi)泄越嚴(yán)重。液壓缸內(nèi)泄流量與液壓力P和外負(fù)載力T的大小無關(guān),所以上述方法可用于所有液壓系統(tǒng)在線判斷[7-8]。

      在具體操作過程中,首先,需要排除液壓系統(tǒng)控制元件無內(nèi)泄,然后,只要關(guān)閉被測液壓缸截止閥,根據(jù)上述公式計算單位時間內(nèi)內(nèi)泄流量Q,參照表1(機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T 10205-2010液壓缸標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定),即可判斷液壓缸是否內(nèi)泄。使用滑環(huán)式組合密封時,允許內(nèi)泄流量為規(guī)定值的2倍;使用金屬活塞環(huán)密封時的內(nèi)泄流量要求由制造商與用戶協(xié)商確定[9]。

      表1 雙作用液壓缸內(nèi)泄流量標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for Leakage Flow inside Double Acting Hydraulic Cylinder

      4 實際應(yīng)用

      本鋼新一號高爐開鐵口機(jī)懸臂液壓缸缸底與開鐵口機(jī)基座轉(zhuǎn)閥同軸連接,耳環(huán)與懸臂銷軸連接,兩個接頭均采用轉(zhuǎn)閥加硬管連接,通過活塞桿伸縮帶動懸臂在114°(±2°)轉(zhuǎn)動來完成開鐵口動作,液壓缸內(nèi)徑140 mm,活塞桿直徑100 mm,行程1 300 mm,動作時間為36 s。工作中發(fā)現(xiàn)懸臂轉(zhuǎn)動越來越慢,嚴(yán)重超時,甚至出現(xiàn)停頓和卡住現(xiàn)象,而懸臂液壓缸體積較大、空間位置狹窄,若盲目拆卸判斷故障原因,將占用大量停機(jī)時間[10]。

      首先,對液壓系統(tǒng)進(jìn)行檢查,判斷系統(tǒng)壓力是否正常,確認(rèn)壓力補(bǔ)償器、比例閥、電磁換向閥、背壓閥、液壓鎖、單向閥、安全閥全無卡住和泄漏;然后,在現(xiàn)場活塞桿全部縮回狀態(tài)下拔出耳環(huán)銷軸,并且使活塞桿處于自由狀態(tài),關(guān)閉懸臂液壓缸截止閥A,打開截止閥B。懸臂液壓缸內(nèi)泄測試示意圖見圖4。

      圖4 懸臂液壓缸內(nèi)泄測試示意圖Fig.4 Diagram for Detecting Leakage inside Boom-type Hydraulic Cylinder

      發(fā)出活塞桿后退指令,此時發(fā)現(xiàn)活塞桿向前伸出,速度時快時慢,分析認(rèn)為是缸筒內(nèi)壁劃傷或者溝槽不均勻?qū)е鹿慰?,證明液壓缸存在內(nèi)泄。進(jìn)一步用秒表測量出活塞桿全部伸出時間為136 s。因此,液壓缸內(nèi)泄的平均流量計算如下:

      對照表1得知,液壓缸內(nèi)徑為140 mm時,內(nèi)泄量合格值為0.3 mL/min,由此可以判斷懸臂液壓缸嚴(yán)重內(nèi)泄。

      液壓缸缸體容積等于缸體內(nèi)截面積與活塞桿行程的乘積,即 3.14×(0.14÷2)2×1.3=0.020 001 8 m3=20 001.8 mL

      液壓缸活塞桿全部伸出時間為136 s,則內(nèi)泄總流量為:

      8 824×136÷60≈20 001.1 mL

      由此看出,液壓缸內(nèi)泄總流量約等于液壓缸的容積,更加證明以上論述是正確的。該方法避免了人為經(jīng)驗判斷因素的影響,無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭,大大減少液壓缸內(nèi)泄引起的停機(jī)事故和盲目處理導(dǎo)致的人力、物力、時間的浪費,能降低維修成本。同時,避免了油液外泄造成的材料浪費和對環(huán)境的污染。

      5 結(jié)語

      針對液壓缸內(nèi)泄檢測手段存在拆卸繁瑣,工作量大,檢測時間長,偏差大,無法準(zhǔn)確定量的現(xiàn)狀,研究了一種在線快速、準(zhǔn)確、定量判斷液壓缸內(nèi)泄的方法。該方法只需要關(guān)閉截止閥,根據(jù)公式準(zhǔn)確計算出內(nèi)泄流量,即可在線準(zhǔn)確判斷液壓缸是否內(nèi)泄。避免了人為經(jīng)驗判斷因素的影響,無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭,大大減少液壓缸內(nèi)泄引起的停機(jī)事故和盲目處理導(dǎo)致的人力、物力、時間的浪費,能夠降低維修成本,同時避免油液外泄造成的材料浪費和對環(huán)境的污染。

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