摘 要:介紹了充液閥的工作原理及分類,列出了充液閥的常見故障,并加以分析,提出了預防措施。
1 引言
充液閥在液壓系統(tǒng)中,尤其是在一些大型液壓機、注塑機等
設(shè)備的液壓系統(tǒng)中,是常見的液壓元件之一,現(xiàn)代液壓機為了提高生產(chǎn)率或熱壓成形時降低工作的溫升,要求有較快的空程速度和回程速度,往往是壓制速度的幾十倍。為了不增加(快速用)輔助液壓泵,減少功的損耗,采用充液系統(tǒng)是最有效的方法。其功能是:從油箱(或充液油箱)向液壓缸或系統(tǒng)補充油液,以免出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。帶控制的充液閥還能起到快速排油的作用。充液閥的使用在一定程度上可大大減小液壓泵的容量,減少系統(tǒng)發(fā)熱,提高液壓缸的運動速度,這對大型液壓
設(shè)備來講,是尤為重要的。給設(shè)計者和使用者都帶來極大的益處。
但是,在實際使用過程中,由于多種原因,充液閥往往出現(xiàn)一些令人討厭的故障,如反向封閉不嚴,造成卸壓;打開時,液壓沖擊過大等,從而影響主機的正常使用。因此,正確判斷故障原因并及時維修,對使用者來說是非常重要的,對設(shè)計人員也是很有啟發(fā)的。
本文旨在結(jié)合實際情況,初步探討充液閥一些故障,并加以分析,供同行們借鑒。
2 充液閥的工作原理及分類
充液閥從是否可控制上來分,可分為:可控式充液閥(相當于液控單向閥)和不可控充液閥(相當于普通單向閥)。實際上用的較多的是可控式充液閥?？煽厥匠湟洪y又可分為:不帶卸荷裝置的普通型充液閥和帶卸荷裝置的先導型充液閥。裝有普通型充液閥的液壓系統(tǒng)在設(shè)計時必須考慮增加單獨的卸壓裝置,而先導型充液閥在理論上可以不單獨增設(shè)卸壓裝置,但在實際應用中發(fā)現(xiàn),其卸壓效果并不理想,因此往往在系統(tǒng)中增設(shè)獨立的卸壓裝置,來減小液壓沖擊。這一點在設(shè)計時必須考慮。
充液閥從閥口的工作狀態(tài)上來分,可分為:常開式(即正常狀態(tài)時,閥口打開,充液閥處于開啟狀態(tài))和常閉式(正常狀態(tài)下,閥口關(guān)閉,充液閥處于關(guān)閉狀態(tài))。常開式充液閥的優(yōu)點在于吸油充液過程中不需要克服彈簧力,減小了吸油阻力。但結(jié)構(gòu)復雜,制造要求也較高,一般情況下很少采用。因此,目前應用較多的是常閉式可控型的充液閥(包括普通型和先導型)。這也是本文主要討論的。下文中所說的充液閥均是指這種形式的充液閥。
充液閥實質(zhì)上就是一種大型的液控單向閥。其液壓圖形符號和液控單向閥完全一樣,它可使一個方向的油流無泄漏地截止,另一方向的油流可自行流通。其工作原理示意圖如圖1示,以可控式充液閥為例說明其工作原理。
a腔通油箱,b腔接液壓缸或系統(tǒng),當b腔出現(xiàn)負壓時,油箱中的油液在大氣壓的作用下通過a腔,克服彈簧力和閥芯與導向部分的摩擦力,使閥芯下移,使a腔與b腔連通,油箱中的油液就會順利地通過b腔,進入液壓缸。反之,當b腔的壓力高于大氣壓時,彈簧力使閥芯關(guān)閉。隨b腔壓力的升高,閥芯就會更緊密地壓在閥體上。它相當于一個開啟壓力很低的單向閥。
其開啟壓力可用下式計算:
pa= (fn+fm- w)/a1
式中 pa———開啟壓力,pa
a1———閥口面積,m2
fn———彈簧力,n
fm———摩擦阻力,n
w———閥芯重量,n
當液壓缸或系統(tǒng)的油需要快速排回油箱時,必須借助控制油的力量。即控制油進入閥上方的控制缸,控制活塞下移將主閥芯打開(b腔壓力此時較低,接近于零)。此時控制油的壓力必須滿足下列條件:
pk> pb·a1+(fnk+ffk+fn+fm-wk-w)/ak
式中 pk———控制油的壓力,pa
pb———b腔壓力,pa
ak———控制活塞面積,m2
fnk———控制活塞回程彈簧力,n
ffk———控制活塞摩擦力,n
wk———控制活塞重量,n
當b腔的油液不需排回油箱時,只需降低控制油壓(通常情況下,通過相關(guān)控制閥使控制油口與油箱連通,使之壓力接近于零)?？刂苹钊趶椈闪ψ饔孟律仙?主閥芯在復位彈簧作用下使閥口關(guān)閉。
對充液閥性能的要求主要有:
①反向泄漏。要求閥口處能嚴密封閉,不允許有泄漏或只允許有極微量的泄漏。否則會增加系統(tǒng)的能量消耗,延長液壓缸的升壓時間,降低設(shè)備的生產(chǎn)效率,其至達不到規(guī)定的工作壓力,影響工件的加工質(zhì)量;
②正向開啟壓力。充液閥充液時是靠自吸開啟的,因此要求充液閥的正向開啟壓力盡可能低。一般要求的開啟壓力為0·007~0·03 mpa;
③壓力損失。充液閥的壓力損失較一般單向閥和液控單向閥的壓力損失小,以便快速充液和排油;
④控制壓力。充液閥的控制壓力取決于充液閥的結(jié)構(gòu)和液壓缸內(nèi)的壓力。一般不宜使用過高控制壓力,否則將引起設(shè)備的沖擊和振動。
對于所購買的充液閥來說,正向開啟壓力是確定的;而對于設(shè)計者來說,要根據(jù)主機的要求,來選擇合適口徑的充液閥,以使壓力損失盡可能小。同時確定其實際控制壓力;對于使用者來說,要保證油液的清潔性,防止不潔物如鐵屑等雜質(zhì)殘留于閥口密封處,造成密封環(huán)的損壞。
3 充液閥的常見故障及分析
在為用戶進行設(shè)備調(diào)試以及幫助一些廠家解決技術(shù)問題的過程中,發(fā)現(xiàn)充液閥的故障主要有以下一些現(xiàn)象,下面分別加以敘述及分析。
(1)快速排油時,液壓沖擊大。該臺設(shè)備是我單位為山東某廠制造的用于盤式剎車片熱壓成形的六層熱壓機。柱塞缸為下置結(jié)構(gòu)形式,充液閥采用江蘇某液壓件廠生產(chǎn)的德國某公司系列的rcf-80-a1型帶卸壓功能的先導型充液閥。系統(tǒng)原理是:加壓結(jié)束,首先通過換向閥進行卸壓,使柱塞缸a腔壓力卸載至規(guī)定值,達到電接點壓力表下限值(零壓左右),電接點壓力表發(fā)信,通過相關(guān)閥使控制油壓力升高,打開充液閥,實現(xiàn)快速排油,柱塞缸得以快速下行。
經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn):該廠維修人員將電接點壓力表下限值設(shè)置在4 mpa。所以,當a腔壓力下降至4 mpa,電接點壓力表立即發(fā)信,打開充液閥,使a腔中有壓力的液壓油突然排油,造成液壓沖擊。后將電接點壓力表下限值設(shè)置在零壓左右,即消除液壓沖擊。
說明:無論是普通型還是先導型充液閥,在快速排油時,一定要首先使壓力卸掉。否則將會產(chǎn)生很大的液壓沖擊。當然,先導型充液閥由于自身帶有卸壓裝置,在一定程度上能減小這種液壓沖擊。對維修人員來說,一定要了解充液閥的最佳工作條件。
(2)快速排油時,油箱內(nèi)有高速液體沖擊的聲音,且系統(tǒng)油溫升高速率較快,充液閥與油箱間用鋁制管箍鎖緊連接的粗膠管經(jīng)常被沖開,造成大量油液外泄。
該臺設(shè)備為某廠自制設(shè)備,也采用柱塞缸下置結(jié)構(gòu)形式,其原理見圖2。從投入生產(chǎn)以來就有此現(xiàn)象。針對這一現(xiàn)象,筆者懷疑:快速排油時,液體流速過大,造成回油壓力過高。該柱塞缸直徑d=400 mm;下行速度(由2個副缸牽引帶動)v=80 mm/s。充液閥為外購的普通型充液閥,口徑為d1=40 mm;通過充液閥出口理論流量為q =πd2v/4。其中:d為柱塞缸柱塞直徑;v為柱塞缸柱塞下行速度。充液閥出口過流面積為s =πd21/4。其中:d1為充液閥出口直徑。充液閥出口理論液體流速為
一般充液閥在設(shè)計時排油速度為2~4 m/s。顯然,這種現(xiàn)象的根本原因在于充液閥口徑或過流面積太小。為此筆者建議:
①為保證現(xiàn)生產(chǎn)需要,將副缸下行速度調(diào)至30~40 mm/s左右,經(jīng)調(diào)試效果非常好。但是,生產(chǎn)效率卻降低了。
②立即著手購買大口徑的充液閥。經(jīng)計算選用口徑為d1=63 mm的充液閥時
左右,滿足充液閥使用條件。經(jīng)安裝后效果比較理想。這一點充分說明了液壓系統(tǒng)設(shè)計人員在選擇充液閥的型號時,一定要了解充液閥的技術(shù)性能,做到參數(shù)的合理匹配。
(3)加壓時,達不到規(guī)定壓力值。該現(xiàn)象出現(xiàn)在1臺六層壓機上,在設(shè)備使用半年后,按工藝要求壓力設(shè)為22 mpa,但是,即使系統(tǒng)壓力達到26 mpa,主缸壓力只能到10 mpa,經(jīng)試驗和檢查后,確定液壓泵、液壓閥、液壓缸、液壓管路、集成塊都沒問題,初步認定充液閥封閉不嚴。正常情況下,主閥芯在彈簧力提升下其下部斜面與閥體刃口處形成線接觸,在液壓缸加壓情況下,進一步增加閥芯與閥體的壓緊力,使密封更加可靠。拆開檢查后發(fā)現(xiàn),閥體與蘑菇形主閥芯的密封處(如圖3所示)密封不嚴,閥體刃口有一處已被壓鈍,壓鈍深度大約有1 mm,長度約為5 mm。經(jīng)分析認定,充液閥在設(shè)計時,閥芯和閥體材料選用45和40cr,閥芯硬度≥hrc45,而閥座硬度比閥芯低10~15個硬度單位,其硬度值約為hrc30~hrc35。由于較硬異物夾在閥體與閥芯之間,使閥芯與閥體形成局部接觸,加壓時閥芯與閥體間接觸力加大,大部分壓緊力作用在與異物相接觸的閥芯與閥體的局部接觸面上,使該接觸面的接觸應力急劇增大,從而使硬度低的閥座接觸面產(chǎn)生永久性塑性變形,形成缺口。經(jīng)過對閥座的修復并對整個液壓系統(tǒng)進行重新清洗,安裝試車恢復正常。這種現(xiàn)象是由于油中含有較硬雜物所致。這說明油液清潔性的重要。
此外還發(fā)生過控制活塞回程彈簧斷裂現(xiàn)象,這主要是控制壓力太高(18~20 mpa)(單獨由控制液壓泵供油),使控制活塞回程彈簧經(jīng)常處于被壓狀態(tài),超過了彈簧的工作條件;主閥芯閥桿彎曲,這主要是回油卸壓不徹底,主閥芯閥桿經(jīng)常處于受壓狀態(tài),同時閥桿材料的選擇不合理及加工的缺欠(如熱處理達不到要求)等。
4 結(jié)論
通過上述較典型的故障分析及排除過程來看,我們可以總結(jié)出以下幾點:
(1)對液壓系統(tǒng)設(shè)計者來說 ①無論是選擇普通型充液閥,還是先導型充液閥,都必須考慮在油路中增設(shè)單獨的卸壓裝置,最大限度地減少或消除快速排油瞬間的液壓沖擊;②充液閥性能參數(shù)的選擇如口徑或液體流速,必須滿足工藝要求;③充液閥的控制壓力不要過高,同時控制壓力的升壓速率應可控。
(2)對制造及使用者來說 ①液壓系統(tǒng)在加工、裝配及維修時,一定要保證管路,閥塊,油箱等的清潔,防止因為鐵屑、焊渣及其他不潔異物的混入造成液壓元件功能的失效;②在調(diào)試及維修時,往往涉及到充液閥控制參數(shù)(如控制壓力、最小卸荷壓力、卸壓時間)的重新設(shè)定,要求調(diào)試及維修人員一定要根據(jù)工藝要求及充液閥的使用要求,確定最佳的控制參數(shù)。
參考文獻:
[1] 雷天覺·液壓工程手冊[m]·北京:機械工業(yè)出版社,1990·
作者：趙小樓 蘇廣平 于春生
V=√2( g-pAx/M)h 或V≤√2gh（無背壓）
Q= 60000As V （L/min）
V―滑塊速度
p―下腔壓力
M―滑塊及附件質(zhì)量
Ax―下腔面積
As―上腔面積
h―快下最大距離
Q―上腔流量
充液閥，據(jù)Q查手冊或樣本選取。
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