Fishburne 液壓系統中的壓頭故障分析及解決方法

官振江，李智勇，劉 文

（紅塔集團玉溪卷煙廠，云南 玉溪 653100）

0 引 言

液壓式預壓機主要用于打葉復烤生產線上的預壓工序，將經過復烤后的松散煙片，在計量后壓成一定尺寸規格的煙坯，便于成品煙片的包裝、運輸。液壓系統是預壓機工作的核心部分，該系統主要由油箱、液壓泵組、控制閥組、執行油缸、管線、過濾系統、冷卻系統和電控系統等部分組成。電控系統的信號控制部分用于驅動液壓動力部分中的控制閥動作。

1 故障現象

某車間使用的打包主壓頭在自動模式下作業，主壓頭在快速下落工作過程中出現主壓頭中途停止下降、懸停于半空的故障。故障出現后，手動操作控制桿，壓頭正常下降[1]。

2 液壓故障分析

由于液壓系統作業時Ⅰ號、Ⅱ號主油缸并聯使用同一套液壓回路，Ⅰ號發生主壓頭半空懸停的故障，而Ⅱ號并沒有發生主壓頭半空懸停的故障，說明在公共油路部分（調壓系統）是沒有故障的，結合液壓系統和Ⅰ號主油缸的控制部分暨主油缸電磁閥得電順序表（表1）和主油缸控制原理圖（圖1），壓頭的一個工作循環由快下、快壓、慢壓、保壓、慢上、快上和復位7 個動作來完成。

表1 Ⅰ號主油缸得電順序表

結合主油缸控制原理圖(圖1)和電磁閥得電順序表(表1)，經過現場檢測：PLC 控制程序正常、SV8正常得電、D20 閥芯正常打開、D11 閥芯開啟正常。對主壓頭快速向下的過程進行油路分析，Fishburne液壓系統采用差動連接（圖2），即把主油缸的進油和回油連接在一起，把油缸的有桿腔油液壓回流到無桿腔，以增加主油缸往外伸出的速度，差動連接，上腔產生的推力F1=AP，下腔產生的抗力F2=BP,顯然，F1>F2，壓實力F=F1-F2=(A-B)P，即壓頭上產生的力為壓力作用在活塞桿面積上的力。在主壓頭快速下壓過程中，無桿腔采用副油箱快速補油。主壓頭下腔油液通過單向節流閥（圖1）回流到上腔，當油液無法正常通過單向節流閥時，下腔即被堵死，無法回油，從而造成主油缸在快速下落過程中無法下降，當手動操作時，泵加載，單向節流閥閥芯前后壓差改變，單向節流閥受油液壓力反向導通，油液順利回到上腔，主壓頭繼續下降。調節單向節流閥內六角使閥型軸向移動，故障解決[2]。

圖2 液壓缸差動連接示意圖

3 維修方法

3.1 對單向節流閥進行拆卸分析，查找故障原因

單向節流閥由閥體、閥芯、彈簧、調節內六角等組成（圖3）。調節內六角可驅動閥芯相對閥體移動，使三角槽式節流口的通流截面改變，從而改變通過節流閥的液流流量，此處使用的單向節流閥閥芯采用三角槽式結構。在結構上，節流閥的閥芯上開有中心小孔(圖4)，使閥芯的兩端所受的液壓力相平衡，調節內六角可以方便的對閥芯進行軸向調節。閥芯上所開的三角形節流閥口采用倒三角結構，拆開后發現有異物堵塞三角槽。

圖3 單向節流閥結構

圖4 閥芯開有三角槽和小孔

3.2 對閥芯的節流口進行受力分析

在快速下落的過程中，主壓頭靠自重下降，上腔由副油箱進行大流量補油，由于是差動連接，主壓頭下腔油液也通過單向閥的三角槽回流到上腔（圖5），當三角槽被異物堵塞時，油液被截止，液壓缸停止下行，當液壓泵進行加載時，閥芯反向受力，閥芯打開，主壓頭繼續下降。

圖5 油液經過三角槽示意圖

從節流閥節流口壓力特性（圖6）和流量公式：Q=KAΔpm（式中：K 為流系數；A 為閥口通流面積；Δp 為閥口前、后壓差；m 為節流口形狀和結構決定的指數，0.5＜m＜l），閥口前、后壓差Δp 和閥口通流面積A 對節流口流量有決定影響。在薄壁節流孔中m=0.5，（流體力學推導證明過的公式，直接套用）,油液流量在經過薄壁小孔時也可以表達為和Cq為流量系數，ρ 是油液密度，Q 是油液流量，節流口的結構、形狀、壓力差、油溫都對Cd有影響。所以在前后壓差改變后，節流口流量會隨之改變。當調節閥芯時閥芯軸向移動，即改變開口量h，從而改變閥口通流面積。

圖6 節流口的流量—壓力特性

在實際工作中，閥芯調節時應該注意三角槽應當調節在露出一半的位置（圖7），當調節不當，三角槽被閥體全部堵塞時（圖8），節流不起作用，油液只能單向進入主壓頭下腔不能回，主壓頭只會上升，不會下降，當閥芯被內六角全部推開時（圖9），此閥相當于一個直通閥，無單向節流效果[3]。

圖7 三角槽露出一半

圖8 閥芯全部露出

圖9 三角槽未露出

4 結 果

在清理完阻塞物并正確地調節閥芯后，啟動試機，壓頭運行正常，連續運行后，未出現此故障。主壓頭單向節流閥是液壓系統中重要的閥件，節流閥流量穩定性對小流量的控制十分重要，影響節流閥流量的因素有：（1）壓差對流量的影響，節流閥兩端壓差變化時，通過它的流量也發生變化。（2）溫度對流量的影響，油溫影響到油液黏度，對于細長小孔，油溫變化時，流量會隨之改變，薄壁小孔黏度對流量幾乎沒有影響，故油溫變化時，流量基本不變。（3）節流口的堵塞，節流閥的節流口可能因油液中的雜質或油液氧化后析出的角質等局部堵塞，這樣就改變了原來節流口同流面積的大小，使流量發生變化，尤其是當開口較小時，這一影響更為突出，嚴重時會完全堵塞而出現斷流現象，此案例即是這種現象[4]。

5 結 語

液壓系統中有75%的故障是由于系統中阻尼孔被堵塞造成的，產生堵塞的主要原因有：（1）油液的機械雜質或因氧化析出的膠質、瀝青、炭渣等污物堆積在節流縫隙處。(2)由于油液老化或受到擠壓后產生帶電的極化分子，而截留縫隙的金屬表面上存在電位差，故極化分子被吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為5～8 μm。因而影響了節流縫隙的大小。當堆積物增長到一定厚度時，會被液流沖刷掉，隨后又重新附在閥口上。這樣周而復始，就形成流量的脈動。(3)閥口壓差較大時，因閥口溫度升高，液體受擠壓的程度增強，金屬表面也更易受摩擦作用而形成電位差，因此壓差大時容易產生堵塞現象[5]。

減輕堵塞現象的措施有：（1）選擇半徑大的薄刃節流口；（2）精密過濾并定期更換液壓油；（3）合理選擇節流口前后的壓差；（4）采用電位差較小的金屬材料，選用抗氧化穩定性好的油液、減小節流口的表面粗糙度等，都有助于緩解堵塞的產生。