液壓絞纜機(jī)控制閥的故障分析與排除

辛黎明

(上海華潤(rùn)大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

在液壓絞纜機(jī)控制閥維修過(guò)程中，我們會(huì)遇到控制閥操作失靈的問(wèn)題，而它的存在會(huì)給船舶的安全航行帶來(lái)極大危害。

1 故障現(xiàn)象

某輪一臺(tái)液壓絞纜機(jī)經(jīng)修理后在調(diào)試中出現(xiàn)了如下問(wèn)題:收纜操作時(shí)能正常運(yùn)行，而放纜操作時(shí)則無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)分析系統(tǒng)原理圖 (見(jiàn)圖1)后判斷為平衡閥故障所致，當(dāng)操縱閥拆開(kāi)后對(duì)平衡閥的節(jié)流孔進(jìn)行清潔、檢查、裝復(fù)，發(fā)現(xiàn)故障未排除。后經(jīng)分析操縱閥的原理結(jié)構(gòu)，找到了問(wèn)題所在，原來(lái)是平衡閥組中的外控順序閥故障所致。在對(duì)該閥進(jìn)行調(diào)整后再次進(jìn)行絞纜機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，雖然能進(jìn)行正反向運(yùn)轉(zhuǎn)，但操縱閥中出現(xiàn)了輕微的響聲:即剛啟動(dòng)液壓馬達(dá)時(shí)閥芯中發(fā)出敲擊聲，而當(dāng)換向運(yùn)轉(zhuǎn)后的一瞬間又一次發(fā)出敲擊聲。

2 系統(tǒng)原理

從圖1可知，液壓泵站輸出的壓力油經(jīng)流量和方向控制閥、平衡閥后，流入液壓馬達(dá)。圖1中，流量和方向控制閥是一個(gè)帶壓力調(diào)整功能的三位四通閥，具有O型中位機(jī)能。平衡閥是一種壓力控制閥，當(dāng)處于收纜狀態(tài)時(shí)，油液打開(kāi)單向閥而自由流動(dòng);放纜狀態(tài)時(shí)，由于平衡閥的作用而限制了油液的流動(dòng)，可防止因外界拖帶力過(guò)大造成放纜速度不斷加速失控。液壓馬達(dá)為連桿型徑向活塞液壓馬達(dá)。

圖1 系統(tǒng)原理圖

3 平衡閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該平衡閥是一個(gè)組合閥，是由單向閥、外控型先導(dǎo)式順序閥和安全閥 (先導(dǎo)式溢流閥)組成，平衡閥結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其工作原理如下:處于收纜狀態(tài)時(shí)，自流量與方向控制閥來(lái)的壓力油液經(jīng)A口到達(dá)單向閥處，當(dāng)油液壓力大于單向閥彈簧的彈力時(shí)，單向閥打開(kāi)，油液經(jīng)此閥流向A'口，然后經(jīng)流道和管路到達(dá)液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，而回油則從液壓馬達(dá)經(jīng)管道和流道從B'口經(jīng)閥體內(nèi)的流道由B口流出，再由流量與方向控制閥流回油箱。

圖2 平衡閥結(jié)構(gòu)圖

放纜狀態(tài)時(shí)，自流量和方向控制閥來(lái)的工作油液經(jīng)B口直接由平衡閥內(nèi)的流道到達(dá)閥口B'然后經(jīng)管道到達(dá)液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)作放纜方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而回油則經(jīng)管道從A'口流入單向閥閥芯，經(jīng)4個(gè)小孔到達(dá)流道M、N，再?gòu)捻樞蜷y芯的軸向三角槽到達(dá)流道K，然后流出A口，經(jīng)流量和方向控制閥流回油箱。

該平衡閥開(kāi)啟的關(guān)鍵在于外控型順序閥的開(kāi)啟過(guò)程:在放纜狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的壓力油經(jīng)順序閥的閥芯小孔S，到達(dá)中間通道C，再經(jīng)各自節(jié)流口E、G，到達(dá)閥芯左腔H和閥芯右腔J。一旦船舶受到外力作用使纜繩受到的拉力增大，纜繩的作用力使液壓馬達(dá)處于外力拖動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使液壓馬達(dá)的進(jìn)油管處于吸油工作狀態(tài)，回油管處于壓油工作狀態(tài)，進(jìn)油壓力下降，即S和C處的壓力下降，進(jìn)而影響到J腔壓力下降，致使作用在順序閥的先導(dǎo)閥閥頭上的液壓力下降，一旦液壓力小于先導(dǎo)閥彈簧的彈力時(shí)，原先打開(kāi)的先導(dǎo)閥關(guān)閉，J腔的壓力上升并恢復(fù)到與C腔、H腔相同壓力，因順序閥芯左右兩腔面積相等，兩邊的液壓力相同，這時(shí)，在彈簧力的作用下，閥芯左移，減小甚至關(guān)閉節(jié)流口，進(jìn)而封閉回油通道，使得液壓馬達(dá)減速甚至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而脫離被拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)油腔B'壓力上升并恢復(fù)到操縱閥出口壓力，液壓馬達(dá)回復(fù)到進(jìn)油驅(qū)動(dòng)的工作狀態(tài)。

4 先導(dǎo)閥彈簧的影響

先導(dǎo)閥彈簧力的大小直接影響著順序閥的開(kāi)啟壓力，并決定了閥的工作狀態(tài)是否正常。

4.1 先導(dǎo)閥芯的彈簧力過(guò)大時(shí)

如果對(duì)作用于順序閥的先導(dǎo)閥芯彈簧進(jìn)行調(diào)整，使彈簧力大于作用于先導(dǎo)閥芯上的液壓力時(shí)，則先導(dǎo)閥將始終處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓馬達(dá)將出現(xiàn)如下運(yùn)動(dòng)狀態(tài):①收纜時(shí)，由流量和方向控制閥來(lái)的油液從平衡閥的A口進(jìn)入，打開(kāi)單向閥，經(jīng)A'口由管道進(jìn)入液壓馬達(dá)，而液壓馬達(dá)的回油則通過(guò)管道從平衡閥的B'口進(jìn)入，經(jīng)內(nèi)部流道從B口流出，到達(dá)流量和方向控制閥，然后回油箱，液壓馬達(dá)能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。②當(dāng)處于放纜狀態(tài)時(shí)，從流量和方向控制閥來(lái)的壓力油從B口進(jìn)入平衡閥后分為兩路:主油路經(jīng)內(nèi)部流道從B'口流出到達(dá)液壓馬達(dá)，同時(shí)另一油路由內(nèi)部流道經(jīng)閥芯小孔S，通道C，節(jié)流孔G到達(dá)先導(dǎo)閥芯，由于作用于先導(dǎo)閥芯上的液壓力始終小于閥芯的彈簧力，所以順序閥芯右側(cè)J腔室內(nèi)的油壓與左側(cè)H腔室一致，在彈簧力的作用下順序閥始終處于關(guān)閉，致使液壓馬達(dá)的回油被順序閥封閉，液壓馬達(dá)無(wú)法回轉(zhuǎn)。這就是液壓馬達(dá)在收纜時(shí)可以進(jìn)行正常操作而放纜時(shí)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的原因。

4.2 作用于先導(dǎo)閥芯的彈簧力過(guò)小時(shí)

如果對(duì)作用于順序閥的先導(dǎo)閥芯彈簧進(jìn)行調(diào)整，使彈簧力小于作用于先導(dǎo)閥芯上的液壓力時(shí)，順序閥將始終處于開(kāi)啟狀態(tài)，液壓平衡閥將出現(xiàn)如下情況:①收纜時(shí)經(jīng)過(guò)平衡閥的壓力油經(jīng)A口打開(kāi)單向閥，從A'口流出，經(jīng)管路到液壓油馬達(dá)，而回油進(jìn)入平衡閥后分為兩路:主油路從B口進(jìn)入經(jīng)內(nèi)部流道從B'口流出到達(dá)液壓馬達(dá)，同時(shí)另一油路從內(nèi)部流道經(jīng)閥芯小孔S，通道C，經(jīng)節(jié)流口E、G到達(dá)H腔和J腔，由于J腔的先導(dǎo)閥控制彈簧力很小，所以J腔卸壓，致使順序閥主閥芯在H腔液壓力的作用下，克服閥芯彈簧力，向右移動(dòng)，打開(kāi)順序閥，從而使進(jìn)入平衡閥的壓力油不再經(jīng)單向閥流出，而是轉(zhuǎn)為經(jīng)順序閥主閥芯的節(jié)流口從內(nèi)部流道N、M到單向閥芯流出。而且由于先導(dǎo)閥芯的彈簧力過(guò)小，致使順序閥芯移動(dòng)時(shí)由于沒(méi)有J腔背壓的緩沖作用而出現(xiàn)閥芯撞擊現(xiàn)象。②當(dāng)處于放纜狀態(tài)時(shí)，從流量和方向控制閥來(lái)的壓力油從B口進(jìn)入平衡閥后分為兩路:主油路經(jīng)內(nèi)部流道從B'口流出到達(dá)液壓馬達(dá)，同時(shí)另一油路由內(nèi)部流道經(jīng)閥芯小孔S，通道C，節(jié)流孔G到達(dá)先導(dǎo)閥芯，且因與收纜時(shí)回油同樣的原因，造成順序閥芯在移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生撞擊現(xiàn)象。液壓馬達(dá)的回油則經(jīng)管道從A'口流入單向閥閥芯，經(jīng)4個(gè)小孔到達(dá)流道M、N，再?gòu)捻樞蜷y芯的軸向三角槽到達(dá)流道K，然后流出A口，經(jīng)流量和方向控制閥流回油箱。

5 受力狀態(tài)分析

1)作用在先導(dǎo)閥閥芯上的液壓力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的受力平衡方程。

式中:P1為先導(dǎo)閥前腔 (主閥)壓力，先導(dǎo)閥出口壓力為0;A1為先導(dǎo)閥受力面積，A1=π·d2/4;d為先導(dǎo)閥閥座孔直徑;Kx為先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧的剛度;X0為先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧的預(yù)壓縮量;X為先導(dǎo)閥閥口開(kāi)度;Cd1為先導(dǎo)閥閥口流量系數(shù);φ為先導(dǎo)閥閥芯半錐角。

當(dāng)先導(dǎo)閥即將打開(kāi)的一瞬間，先導(dǎo)閥閥口開(kāi)度X=0，則由式 (1)可求解先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力P1k。

2)作用在主閥閥芯上的液壓力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的受力平衡方程。

式中:P1為先導(dǎo)閥進(jìn)口 (主閥)壓力，先導(dǎo)閥出口壓力為0;P2為順序閥主閥進(jìn)口壓力 (閥控壓力)，主閥出口壓力為0;A2主閥受力面積，A2=π·D2/4;D主閥閥芯直徑;Ky為主閥復(fù)位彈簧的剛度;y0為主閥復(fù)位彈簧的預(yù)壓縮量;y為主閥閥口開(kāi)度;Cd2為主閥閥口流量系數(shù);α為主閥芯半錐角。

隨著先導(dǎo)閥閥口開(kāi)啟，由于節(jié)流小孔的阻尼作用，使液流通過(guò)時(shí)在兩端產(chǎn)生壓力差，當(dāng)作用在主閥芯左右兩側(cè)的液壓力之差足以克服主閥復(fù)位彈簧力時(shí)，主閥開(kāi)啟，其開(kāi)啟壓力 (主閥閥口開(kāi)度y=0)為P2k。

在放纜過(guò)程中，一旦纜繩受到外力作用，則此力會(huì)使液壓馬達(dá)的回油流量大于順序閥主閥芯所控制的進(jìn)油量時(shí)，由主閥芯傳遞到先導(dǎo)閥前的壓力P1下降，如果P1小于先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力P1k，先導(dǎo)閥關(guān)閉，并最終使主閥芯左側(cè)的液壓力小于右側(cè)的液壓力和彈簧力之和，主閥芯關(guān)閉，放纜過(guò)程停止。由此分析可知，放纜過(guò)程必須在進(jìn)油壓力的控制下進(jìn)行操作，以避免放纜時(shí)由于外力作用而失控。

6 調(diào)整方法

首先將先導(dǎo)閥芯的彈簧調(diào)至最緊狀態(tài)，使順序閥處于關(guān)閉狀態(tài)，然后在放纜操作狀態(tài)下，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺栓逐步松開(kāi)先導(dǎo)閥芯的彈簧力，一直到液壓馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，然后鎖定調(diào)節(jié)螺栓，完成平衡閥的調(diào)整。

［1］張也影.流體力學(xué)［M］.高等教育出版社，1986.

［2］李壯云.液壓元件與系統(tǒng) ［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.