液壓系統故障模擬試驗臺的設計

摘 要：液壓系統在冶金、礦山、船舶等許多重要領域得到了廣泛應用并處于核心地位。在液壓技術不斷革新的背景下，液壓系統日漸復雜，同時液壓系統的故障診斷也變得更加困難。為使學生和工程技術人員更好地掌握液壓系統故障診斷的技巧和方法，提出了液壓系統的故障模擬方案，并完成了液壓系統故障模擬試驗臺的總體設計。該試驗臺的成功開發不僅可以幫助從業人員認識常見液壓故障現象，快速解決工程實際中遇到的問題，同時在深入理解液壓系統的工作原理及故障診斷、排除方面也具有重要意義。

關鍵詞：故障模擬;液壓系統;試驗臺

0? ? 引言

不同于機械設備，液壓元件及其系統有其特殊性，即液壓設備的元件、工作油液等大都密封在油路中，相較于機械設備具有不直觀的缺陷，此外，其工作狀態只能靠設備中僅有的壓力表和流量計來指示，不能使用電氣設備檢查參數用的萬用表、測試筆等電子儀器。因此，液壓系統的故障主要表現出不確定因素多、隱蔽性強、種類多樣、因果關系復雜、故障發生后難以查找等特點，且故障的突發會帶來生產設備停工、造成重大經濟損失等后果，因此在保障液壓系統正常運行的前提下，如何預判故障及其征兆具有重要意義[1-2]。

1? ? 設計要求與方案設計

1.1? ? 設計要求

要求液壓系統故障模擬試驗臺能夠完成液壓泵、液壓缸、溢流閥和電磁閥等元件的故障模擬，系統最高壓力7 MPa，流量不小于11 L/min。

1.2? ? 方案設計

液壓泵10氣穴故障模擬：通過安裝一個懸空的吸油過濾器11.2來模擬液壓泵10的氣穴故障[3]。

液壓缸6內外泄漏故障模擬：通過在液壓缸6的進油口并聯一個節流閥1.3來模擬液壓缸6進油路的外泄漏故障;通過在液壓缸6的出油口并聯一個節流閥1.5來模擬液壓缸6出油路的外泄漏故障;在液壓缸6的進出油口之間并聯一個節流閥1.4來模擬液壓缸6的內泄漏故障。

先導式溢流閥9.1內泄漏和彈簧折斷故障模擬：溢流閥9.1進油路加截止閥3.2來模擬溢流閥閥芯在關閉位置卡死，在其進油路上并聯一個節流閥1.7來模擬溢流閥9.1內泄漏和彈簧折斷故障。

電磁換向閥7內泄漏故障模擬：利用節流閥1.6將換向閥7的P口和A口相連，來模擬換向閥7因閥芯磨損等原因導致的內泄漏故障。

先導式減壓閥5故障模擬：利用一個節流閥1.1與油箱相通，模擬先導式減壓閥5的遠程調壓口和泄油口接通，使減壓閥5閥芯一直處于打開狀態，故障現象為無法減壓，以此來模擬錐閥和閥座配合間隙過大，減壓閥錐閥彈簧折斷、漏裝，主閥芯在開啟位置卡死等故障。

節流閥1.2故障模擬：將節流閥1.2與截止閥3.1串聯來模擬節流閥1.2的閥芯在關閉位置卡死的故障現象;將節流閥1.1與節流閥1.2并聯，來模擬節流閥閥芯磨損故障。

單向閥2故障模擬：將節流閥1.1與單向閥2并聯，來模擬單向閥2閥芯磨損故障。

綜合以上各方面，繪制故障模擬試驗臺液壓系統原理圖，如圖1所示。

2? ? 液壓系統主要元件選擇

在液壓元件的規格、型號等參數選擇方面，需要根據其在工作中的實際壓力、流量指標來確定，此外電機功率、油箱體積等參數也需計算。

2.1? ? 液壓缸選擇

這里選取內徑為D=63 mm、活塞桿直徑為d=45 mm的液壓缸，代入無桿腔的有效作用面積公式，得到：

A1=（π/4）×d02=（π/4）×6.32≈31.17 cm2

代入有桿腔的有效作用面積公式，得到：

A2=A1-（π/4）×d02=31.17-（π/4）×4.52≈15.27 cm2

以液壓缸伸出時的速度為2.4 m/s，計算液壓缸所需的流量：

Q=vA/η=（2.4×102×31.17/1）×10-3≈7.5 L/min

2.2? ? 液壓泵及電機的選擇

根據試驗臺設計要求，泵的最高壓力為7 MPa，流量不小于11 L/min，宜選用壽命長、性能穩定、流量范圍大、噪聲小的YB-A型雙作用葉片泵，其額定壓力為7 MPa，公稱排量為8 mL/r。液壓泵的輸入功率P為：

P=pq/η=（7×11）/（60×0.7）≈1.83 kW

因此選擇Y100L1-4型電機，其轉速為1 430 r/min，功率為2.2 kW。

2.3? ? 液壓閥及輔助元件的選擇

故障模擬試驗臺液壓元件明細表如表1所示。

2.4? ? 液壓油箱容積計算

本試驗臺試驗時壓力一般小于等于6.3 MPa，并根據qp=11.44 L/min，計算油箱的有效容積得：

V=（5～7）qp=（5～7）×11.44=57.2～80.08 L

圓整化處理，取V=80 L，一般將體積的80%視為有效的容積，因此計算得出油箱體積為V0=V/80%=80/80%=100 L。

3? ? 液壓系統性能驗算

本試驗臺的液壓系統在泵故障模擬試驗的設計回路中效率為：

ηc=∑PQ/∑PpQp=（7.5×6.3）/（11.44×6.3）≈0.66

將各參數代入公式得，液壓系統總效率為：

ηc=ηpηcηm=0.95×0.66×0.9≈0.56

液壓泵的輸入功率為：

Ppi=PpQp/ηp=7×11.44/（0.95×60）≈1.4 kW

則系統總發熱量為：

H=Ppi（1-η）=1.4×（1-0.56）≈0.6 kW

由溫升計算公式Δt=H/kA[傳熱系數k=15 W/（m2·℃）]和液壓油箱的散熱面積公式A=0.065，可計算液壓系統的溫升：

Δt==≈28.6 ℃

經過計算，此試驗臺的液壓系統的溫升在允許范圍內，不需要加冷卻器對液壓系統進行降溫冷卻處理。

4? ? 故障模擬試驗臺結構布置

液壓系統故障模擬試驗臺總體結構布置如圖2所示。

5? ? 結語

本課題提出了液壓系統故障模擬試驗臺故障模擬方案，并成功設計了試驗臺，該試驗臺可以完成液壓泵、液壓缸、溢流閥、單向閥、節流閥、換向閥、減壓閥等元件的故障模擬試驗。本試驗臺巧妙地利用替代的方法實現了在不損傷液壓元件的情況下完成各種故障模擬的試驗，可以使學生和工程技術人員直觀地了解各種液壓系統的故障現象，掌握液壓系統故障診斷的技巧和方法，快速解決工程實際中遇到的問題，對于從業人員深入理解液壓系統的工作原理及故障診斷、排除也具有重要意義。

[參考文獻]

[1] 葛曉寧，林義忠.液壓系統故障診斷的研究概況與發展趨勢[J].液壓與氣動，2008（7）：1-3.

[2] 楊啟敏，袁子榮，仲海衛，等.液壓故障診斷技術的發展狀況[C]//2000年全國流體動力與機電控制工程及制造技術學術會議論文集，2000：11-12.

[3] 黃志堅.液壓系統典型故障治理方案200例[M].北京：化學工業出版社，2011.

收稿日期：2021-08-16

作者簡介：王杰（1972—），女，河北黃驊人，工學碩士，教授，從事流體傳動與控制技術的研究及教學工作。