充液阀常见故障分析

　　充液阀常见故障分析

　　摘 要:介绍了充液阀的工作原理及分类,列出了充液阀的常见故障,并加以分析,提出了预防措施。

　　1 引言

　　充液阀在液压系统中,尤其是在一些大型液压机、注塑机等设备的液压系统中,是常见的液压元件之一,现代液压机为了提高生产率或热压成形时降低工作的温升,要求有较快的空程速度和回程速度,往往是压制速度的几十倍。为了不增加(快速用)辅助液压泵,减少功的损耗,采用充液系统是最有效的方法。其功能是:从油箱(或充液油箱)向液压缸或系统补充油液,以免出现吸空现象。带控制的充液阀还能起到快速排油的作用。充液阀的使用在一定程度上可大大减小液压泵的容量,减少系统发热,提高液压缸的运动速度,这对大型液压设备来讲,是尤为重要的。给设计者和使用者都带来极大的益处。

　　但是,在实际使用过程中,由于多种原因,充液阀往往出现一些令人讨厌的故障,如反向封闭不严,造成卸压;打开时,液压冲击过大等,从而影响主机的正常使用。因此,正确判断故障原因并及时维修,对使用者来说是非常重要的,对设计人员也是很有启发的。

　　本文旨在结合实际情况,初步探讨充液阀一些故障,并加以分析,供同行们借鉴。

　　2 充液阀的工作原理及分类

　　充液阀从是否可控制上来分,可分为:可控式充液阀(相当于液控单向阀)和不可控充液阀(相当于普通单向阀)。实际上用的较多的是可控式充液阀。可控式充液阀又可分为:不带卸荷装置的普通型充液阀和带卸荷装置的先导型充液阀。装有普通型充液阀的液压系统在设计时必须考虑增加单独的卸压装置,而先导型充液阀在理论上可以不单独增设卸压装置,但在实际应用中发现,其卸压效果并不理想,因此往往在系统中增设独立的卸压装置,来减小液压冲击。这一点在设计时必须考虑。

　　充液阀从阀口的工作状态上来分,可分为:常开式(即正常状态时,阀口打开,充液阀处于开启状态)和常闭式(正常状态下,阀口关闭,充液阀处于关闭状态)。常开式充液阀的优点在于吸油充液过程中不需要克服弹簧力,减小了吸油阻力。但结构复杂,制造要求也较高,一般情况下很少采用。因此,目前应用较多的是常闭式可控型的充液阀(包括普通型和先导型)。这也是本文主要讨论的。下文中所说的充液阀均是指这种形式的充液阀。

　　充液阀实质上就是一种大型的液控单向阀。其液压图形符号和液控单向阀完全一样,它可使一个方向的油流无泄漏地截止,另一方向的油流可自行流通。其工作原理示意图如图1示,以可控式充液阀为例说明其工作原理。

　　a腔通油箱,b腔接液压缸或系统,当b腔出现负压时,油箱中的油液在大气压的作用下通过a腔,克服弹簧力和阀芯与导向部分的摩擦力,使阀芯下移,使a腔与b腔连通,油箱中的油液就会顺利地通过b腔,进入液压缸。反之,当b腔的压力高于大气压时,弹簧力使阀芯关闭。随b腔压力的升高,阀芯就会更紧密地压在阀体上。它相当于一个开启压力很低的单向阀。

　　其开启压力可用下式计算:

　　pa=(fn+fm- w)/a1

　　式中 pa———开启压力,pa

　　a1———阀口面积,m2

　　fn———弹簧力,n

　　fm———摩擦阻力,n

　　w———阀芯重量,n

　　当液压缸或系统的油需要快速排回油箱时,必须借助控制油的力量。即控制油进入阀上方的控制缸,控制活塞下移将主阀芯打开(b腔压力此时较低,接近于零)。此时控制油的压力必须满足下列条件:

　　pk> pb·a1+(fnk+ffk+fn+fm-wk-w)/ak

　　式中 pk———控制油的压力,pa

　　pb———b腔压力,pa

　　ak———控制活塞面积,m2

　　fnk———控制活塞回程弹簧力,n

　　ffk———控制活塞摩擦力,n

　　wk———控制活塞重量,n

　　当b腔的油液不需排回油箱时,只需降低控制油压(通常情况下,通过相关控制阀使控制油口与油箱连通,使之压力接近于零)。控制活塞在弹簧力作用下上升,主阀芯在复位弹簧作用下使阀口关闭。

　　对充液阀性能的要求主要有:

　　①反向泄漏。要求阀口处能严密封闭,不允许有泄漏或只允许有极微量的泄漏。否则会增加系统的能量消耗,延长液压缸的升压时间,降低设备的生产效率,其至达不到规定的工作压力,影响工件的加工质量;

　　②正向开启压力。充液阀充液时是靠自吸开启的,因此要求充液阀的正向开启压力尽可能低。一般要求的开启压力为0·007~0·03 mpa;

　　③压力损失。充液阀的压力损失较一般单向阀和液控单向阀的压力损失小,以便快速充液和排油;

　　④控制压力。充液阀的控制压力取决于充液阀的结构和液压缸内的压力。一般不宜使用过高控制压力,否则将引起设备的冲击和振动。

　　对于所购买的充液阀来说,正向开启压力是确定的;而对于设计者来说,要根据主机的要求,来选择合适口径的充液阀,以使压力损失尽可能小。同时确定其实际控制压力;对于使用者来说,要保证油液的清洁性,防止不洁物如铁屑等杂质残留于阀口密封处,造成密封环的损坏。

　　3 充液阀的常见故障及分析

　　在为用户进行设备调试以及帮助一些厂家解决技术问题的过程中,发现充液阀的故障主要有以下一些现象,下面分别加以叙述及分析。

　　(1)快速排油时,液压冲击大。该台设备是我单位为山东某厂制造的用于盘式刹车片热压成形的六层热压机。柱塞缸为下置结构形式,充液阀采用江苏某液压件厂生产的德国某公司系列的rcf-80-a1型带卸压功能的先导型充液阀。系统原理是:加压结束,首先通过换向阀进行卸压,使柱塞缸a腔压力卸载至规定值,达到电接点压力表下限值(零压左右),电接点压力表发信,通过相关阀使控制油压力升高,打开充液阀,实现快速排油,柱塞缸得以快速下行。

　　经检查发现:该厂维修人员将电接点压力表下限值设置在4 mpa。所以,当a腔压力下降至4 mpa,电接点压力表立即发信,打开充液阀,使a腔中有压力的液压油突然排油,造成液压冲击。后将电接点压力表下限值设置在零压左右,即消除液压冲击。

　　说明:无论是普通型还是先导型充液阀,在快速排油时,一定要首先使压力卸掉。否则将会产生很大的液压冲击。当然,先导型充液阀由于自身带有卸压装置,在一定程度上能减小这种液压冲击。对维修人员来说,一定要了解充液阀的最佳工作条件。

　　(2)快速排油时,油箱内有高速液体冲击的声音,且系统油温升高速率较快,充液阀与油箱间用铝制管箍锁紧连接的粗胶管经常被冲开,造成大量油液外泄。

　　该台设备为某厂自制设备,也采用柱塞缸下置结构形式,其原理见图2。从投入生产以来就有此现象。针对这一现象,笔者怀疑:快速排油时,液体流速过大,造成回油压力过高。该柱塞缸直径d=400 mm;下行速度(由2个副缸牵引带动)v=80 mm/s。充液阀为外购的普通型充液阀,口径为d1=40 mm;通过充液阀出口理论流量为q=πd2v/4。其中:d为柱塞缸柱塞直径;v为柱塞缸柱塞下行速度。充液阀出口过流面积为s=πd21/4。其中:d1为充液阀出口直径。充液阀出口理论液体流速为

　　一般充液阀在设计时排油速度为2~4 m/s。显然,这种现象的根本原因在于充液阀口径或过流面积太小。为此笔者建议:

　　①为保证现生产需要,将副缸下行速度调至30~40 mm/s左右,经调试效果非常好。但是,生产效率却降低了。

　　②立即着手购买大口径的充液阀。经计算选用口径为d1=63 mm的充液阀时

　　左右,满足充液阀使用条件。经安装后效果比较理想。这一点充分说明了液压系统设计人员在选择充液阀的型号时,一定要了解充液阀的技术性能,做到参数的合理匹配。

　　(3)加压时,达不到规定压力值。该现象出现在1台六层压机上,在设备使用半年后,按工艺要求压力设为22 mpa,但是,即使系统压力达到26 mpa,主缸压力只能到10 mpa,经试验和检查后,确定液压泵、液压阀、液压缸、液压管路、集成块都没问题,初步认定充液阀封闭不严。正常情况下,主阀芯在弹簧力提升下其下部斜面与阀体刃口处形成线接触,在液压缸加压情况下,进一步增加阀芯与阀体的压紧力,使密封更加可靠。拆开检查后发现,阀体与蘑菇形主阀芯的密封处(如图3所示)密封不严,阀体刃口有一处已被压钝,压钝深度大约有1 mm,长度约为5 mm。经分析认定,充液阀在设计时,阀芯和阀体材料选用45和40cr,阀芯硬度≥hrc45,而阀座硬度比阀芯低10~15个硬度单位,其硬度值约为hrc30~hrc35。由于较硬异物夹在阀体与阀芯之间,使阀芯与阀体形成局部接触,加压时阀芯与阀体间接触力加大,大部分压紧力作用在与异物相接触的阀芯与阀体的局部接触面上,使该接触面的接触应力急剧增大,从而使硬度低的阀座接触面产生永久性塑性变形,形成缺口。经过对阀座的修复并对整个液压系统进行重新清洗,安装试车恢复正常。这种现象是由于油中含有较硬杂物所致。这说明油液清洁性的重要。

　　此外还发生过控制活塞回程弹簧断裂现象,这主要是控制压力太高(18~20 mpa)(单独由控制液压泵供油),使控制活塞回程弹簧经常处于被压状态,超过了弹簧的工作条件;主阀芯阀杆弯曲,这主要是回油卸压不彻底,主阀芯阀杆经常处于受压状态,同时阀杆材料的选择不合理及加工的缺欠(如热处理达不到要求)等。

　　4 结论

　　通过上述较典型的故障分析及排除过程来看,我们可以总结出以下几点:

　　(1)对液压系统设计者来说 ①无论是选择普通型充液阀,还是先导型充液阀,都必须考虑在油路中增设单独的卸压装置,最大限度地减少或消除快速排油瞬间的液压冲击;②充液阀性能参数的选择如口径或液体流速,必须满足工艺要求;③充液阀的控制压力不要过高,同时控制压力的升压速率应可控。

　　(2)对制造及使用者来说 ①液压系统在加工、装配及维修时,一定要保证管路,阀块,油箱等的清洁,防止因为铁屑、焊渣及其他不洁异物的混入造成液压元件功能的失效;②在调试及维修时,往往涉及到充液阀控制参数(如控制压力、最小卸荷压力、卸压时间)的重新设定,要求调试及维修人员一定要根据工艺要求及充液阀的使用要求,确定最佳的控制参数。