液壓缸內泄在線快速判斷方法及應用

劉慶濤

（本鋼板材煉鐵總廠，遼寧 本溪 117000）

目前，國內檢測液壓缸內泄的方法主要有：專用測試裝置法，需要將被測試的液壓缸運送到實驗室，在專用實驗臺上測試［1-2］；外部加負載法，在活塞桿上作好位置標記，檢查活塞桿的位置是否隨時間變動；盲板或堵頭法，將油缸的一腔堵死，給另一腔加壓，檢測被堵腔的壓力，若壓力上升則說明內泄［3］。以上幾種研究方法的缺點是拆卸繁瑣，工作量大，檢測時間長，偏差大，無法準確定量。國外對液壓缸內泄問題只是給出了一些結論，而沒有說明具體的檢測方法［4］。所以，研究一種在線快速、準確、定量判斷液壓缸內泄的方法非常必要。

1 液壓缸結構

液壓缸為單活塞桿雙作用液壓缸，是液壓系統的執行元件，其工作原理是基于密閉容器中的靜壓力傳遞力和功率，將液體的壓力能轉換成工作機構的機械能，用來實現直線往復運動或小于360°的擺動［5］。液壓缸結構簡圖見圖1。

圖1 液壓缸結構簡圖Fig.1 Simplified Diagram for Structure of Hydraulic Cylinder

2 液壓缸內泄原因分析

液壓缸內泄原因有三種，具體見圖2所示。

（1）活塞密封圈損壞。密封圈安裝不當或規格型號不適合，工作壓力過大、預加載荷過大導致密封圈擠出密封凹槽；另外，環境溫度過高也能造成密封圈老化開裂。見圖2（a）。

（2）缸筒內壁劃傷。缸體安裝時進入異物或者活塞的滑動表面壓力高，引起燒結現象，于是缸體內表面發生擠裂，被擠裂的金屬脫落，留在缸內，造成傷痕。見圖2（b）。

（3）金屬活塞環嚴重磨損、疲勞斷裂，失去密封作用［6］，見圖2（c）。

圖2 液壓缸內泄原因Fig.2 Causes Leading to Leakage inside Hydraulic Cylinde

3 液壓缸內泄判斷方法

液壓缸系統簡圖見圖3。由于液壓缸活塞無桿腔面積大于有桿腔面積，根據帕斯卡原理，在同一液壓力（壓強）的作用下，推力與面積成正比，所以無桿腔所受的推力大于有桿腔所受的推力，致使活塞桿向外伸出，以此作為判斷液壓缸是否內泄的依據。具體步驟如下：首先，電磁閥電磁鐵a得電，待液壓缸活塞桿向內全部縮回后，電磁鐵a失電，電磁閥閥芯回到中位，同時，關閉截止閥A和B。然后，打開截止閥B，繼續讓電磁鐵a得電，此時觀察液壓缸活塞桿是否向外伸出，如果不向外伸出，說明液壓缸無內泄；否則說明液壓缸有內泄。

圖3 液壓缸系統簡圖Fig.3 Simplified Diagram for System of Hydraulic Cylinder

D為液壓缸活塞直徑，d為液壓缸活塞桿直徑，S1為液壓缸活塞面積，S2為液壓缸活塞桿截面積，S3為液壓缸活塞有桿腔環形面積。

則有：

F1為液壓缸活塞面積所受推力，F2為液壓缸活塞環形面積所受推力，P為液壓力，由帕斯卡原理：F=PS，則有：

由上式得出，在液壓力相同的情況下，液壓缸活塞所受推力與活塞有效面積成正比，液壓缸活塞桿向外伸出的推力大于縮回的拉力，即：F1＞F2。因為液壓缸活塞無桿腔有效面積大于有桿腔有效面積，如果液壓缸存在內泄，那么有桿腔與無桿腔導通，有桿腔中的液壓油會從活塞與缸筒內壁之間的間隙進入到無桿腔，由于截止閥A處于關閉狀態，所以液壓缸活塞桿向外伸出。如果活塞桿已經縮回到端點，處于過載保護狀態，原地不動，則說明液壓缸不內泄。

υ缸為液壓缸運動速度，Q為液壓缸內泄流量（即為液壓缸流量），υ桿為活塞桿運動速度，L為活塞桿行程，t為活塞桿整個行程運動時間（可以通過秒表測量得到），則：

由于液壓缸速度等于液壓缸活塞桿的運動速度，所以得出：

由式（9）可知，液壓缸內泄流量Q與活塞桿運動速度υ桿成正比，即運動速度越快，液壓缸內泄越嚴重。同理可得，液壓缸內泄流量與液壓缸活塞桿整個行程運動時間成反比，即活塞桿整個行程運動時間越短，液壓缸內泄越嚴重。液壓缸內泄流量與液壓力P和外負載力T的大小無關，所以上述方法可用于所有液壓系統在線判斷［7-8］。

在具體操作過程中，首先，需要排除液壓系統控制元件無內泄，然后，只要關閉被測液壓缸截止閥，根據上述公式計算單位時間內內泄流量Q，參照表1（機械行業標準《JB/T 10205-2010液壓缸標準》的規定），即可判斷液壓缸是否內泄。使用滑環式組合密封時，允許內泄流量為規定值的2倍；使用金屬活塞環密封時的內泄流量要求由制造商與用戶協商確定［9］。

表1 雙作用液壓缸內泄流量標準Table 1 Standard for Leakage Flow inside Double Acting Hydraulic Cylinder

4 實際應用

本鋼新一號高爐開鐵口機懸臂液壓缸缸底與開鐵口機基座轉閥同軸連接，耳環與懸臂銷軸連接，兩個接頭均采用轉閥加硬管連接，通過活塞桿伸縮帶動懸臂在114°（±2°）轉動來完成開鐵口動作，液壓缸內徑140 mm，活塞桿直徑100 mm，行程1 300 mm，動作時間為36 s。工作中發現懸臂轉動越來越慢，嚴重超時，甚至出現停頓和卡住現象，而懸臂液壓缸體積較大、空間位置狹窄，若盲目拆卸判斷故障原因，將占用大量停機時間［10］。

首先，對液壓系統進行檢查，判斷系統壓力是否正常，確認壓力補償器、比例閥、電磁換向閥、背壓閥、液壓鎖、單向閥、安全閥全無卡住和泄漏；然后，在現場活塞桿全部縮回狀態下拔出耳環銷軸，并且使活塞桿處于自由狀態，關閉懸臂液壓缸截止閥A，打開截止閥B。懸臂液壓缸內泄測試示意圖見圖4。

圖4 懸臂液壓缸內泄測試示意圖Fig.4 Diagram for Detecting Leakage inside Boom-type Hydraulic Cylinder

發出活塞桿后退指令，此時發現活塞桿向前伸出，速度時快時慢，分析認為是缸筒內壁劃傷或者溝槽不均勻導致刮卡，證明液壓缸存在內泄。進一步用秒表測量出活塞桿全部伸出時間為136 s。因此，液壓缸內泄的平均流量計算如下：

對照表1得知，液壓缸內徑為140 mm時，內泄量合格值為0.3 mL/min，由此可以判斷懸臂液壓缸嚴重內泄。

液壓缸缸體容積等于缸體內截面積與活塞桿行程的乘積，即 3.14×（0.14÷2）2×1.3=0.020 001 8 m3=20 001.8 mL

液壓缸活塞桿全部伸出時間為136 s，則內泄總流量為：

8 824×136÷60≈20 001.1 mL

由此看出，液壓缸內泄總流量約等于液壓缸的容積，更加證明以上論述是正確的。該方法避免了人為經驗判斷因素的影響，無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭，大大減少液壓缸內泄引起的停機事故和盲目處理導致的人力、物力、時間的浪費，能降低維修成本。同時，避免了油液外泄造成的材料浪費和對環境的污染。

5 結語

針對液壓缸內泄檢測手段存在拆卸繁瑣，工作量大，檢測時間長，偏差大，無法準確定量的現狀，研究了一種在線快速、準確、定量判斷液壓缸內泄的方法。該方法只需要關閉截止閥，根據公式準確計算出內泄流量，即可在線準確判斷液壓缸是否內泄。避免了人為經驗判斷因素的影響，無需拆卸液壓管路和各種液壓接頭，大大減少液壓缸內泄引起的停機事故和盲目處理導致的人力、物力、時間的浪費，能夠降低維修成本，同時避免油液外泄造成的材料浪費和對環境的污染。