二通插裝閥原理及溢流閥故障分析

PAGEPAGE11二通插裝閥原理及溢流閥故障分析摘要：介紹了二通插裝閥原理及描述了插裝式電磁溢流閥的結(jié)構(gòu)及開啟特性。提出利用液阻理論，類比電橋知識(shí)，繪出插裝式電磁溢流閥液壓半橋圖，用電工學(xué)方法分析，通過更換滑閥式換向閥解決了二通插裝式電磁溢流閥系統(tǒng)壓力不足問題。關(guān)鍵詞：二通插裝閥電磁溢流閥液阻液壓半橋1引言二通插裝閥是打葉復(fù)烤生產(chǎn)線打包工序液壓系統(tǒng)最關(guān)鍵的液壓元件，與傳統(tǒng)液壓元件相比，二通插裝閥的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1、流通能力大，流阻??；2、密封性好，適合水介質(zhì)，響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)；3、具有多機(jī)能，變型方便、可以高度集成、三化程度高等[1]。(/QK/91883A/2006004/21601485.html插裝閥在東深供水蝶閥控制中的應(yīng)用)1995年投產(chǎn)的復(fù)烤二車間打葉復(fù)烤生產(chǎn)線打包設(shè)備是美國Fishburne公司產(chǎn)品,它的液壓系統(tǒng)大量使用二通插裝閥。隨著時(shí)間的推移，設(shè)備出現(xiàn)壓力失調(diào)故障，導(dǎo)致壓煙力量不足，給煙葉流水線生產(chǎn)帶來很大影響。用常規(guī)方法處理幾次后，效果不明顯，換向閥的更換，發(fā)現(xiàn)了故障的原因。2二通插裝閥工作原理2.1閥體結(jié)構(gòu)二通插裝閥由插入閥芯組件、先導(dǎo)閥、控制蓋板和插裝閥塊4個(gè)部分組成。圖1所示是典型的二通插裝閥結(jié)構(gòu)圖及控制原理圖。圖2是插裝閥閥芯功能符號(hào)及閥芯A，B,X油口壓力作用面積投影圖。圖3是二通插裝閥芯組件及閥芯受力分析圖。圖1：典型二通插裝閥結(jié)構(gòu)及控制原理圖2：插裝閥閥芯功能符號(hào)及閥芯A，B,X油口壓力作用面積投影圖圖3：二通插裝閥芯組件及閥芯受力分析2.2閥芯受力分析若不計(jì)閥芯自重、阻尼力和液動(dòng)力，由圖3所示可得閥芯上的力平衡方程為：ΣＦ＝FＴ＋PＡＰ×AＡＰ－（PA×AA+PB×AB）（1）式中：FＳ：彈簧力；PA、PB、PＡＰ：分別為A、B、ＡＰ油口的液體壓力；AA、AB、AＡＰ：分別為上述各油口在閥芯上的有效作用面積。其中ＡＡＰ＝ＡＡ＋ＡＢ。當(dāng)ΣＦ＞0時(shí)，閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，油路A、B不通。當(dāng)ΣＦ＜0時(shí)，閥芯處于開啟狀態(tài)，油路A、B接通。插裝閥閥芯的工作狀態(tài)由ＰＡ、ＰＢ、ＰＡＰ的關(guān)系確定。由于工作腔的壓力ＰＡ、ＰＢ由工作負(fù)載決定，所以只能通過對(duì)控制腔壓力ＰＡＰ的改變來實(shí)現(xiàn)對(duì)二通插裝閥的控制?？刂朴涂诘囊后w壓力PＡＰ是關(guān)鍵參數(shù)，PＡＰ值的變化就能控制閥芯的開啟或關(guān)閉。2.3二通插裝閥控制特點(diǎn)控制腔AAP油源供油方式不同[1]1、Ａ腔內(nèi)供,圖1所示就是這種控制方式，常用于ＰＡ>ＰＢ的壓力閥工況。2、Ｂ腔內(nèi)供，作為液控單向閥使用，常用于保壓回路。3、Ａ、Ｂ腔同時(shí)內(nèi)供，通過梭閥選擇壓力高的油口，由于控制腔壓力油取自負(fù)載壓力高的一端，因此確保此閥具有可靠的自鎖功能。梭閥如圖４所示。1、3油口進(jìn)行壓力比較，2口輸出高壓控制油對(duì)控制腔AＡＰ進(jìn)行控制。圖4：梭閥結(jié)構(gòu)及控制原理4、外部供油，避免了負(fù)載壓力的干擾，但要求外控油源壓力高于系統(tǒng)最高壓力。5、內(nèi)外聯(lián)合供油，這種形式綜合了上述所有供油方式的特點(diǎn)，可靠性強(qiáng)，適用于系統(tǒng)壓力波動(dòng)過大的場(chǎng)合。在二通插裝閥系統(tǒng)中，按照先導(dǎo)油的來源不同，控制腔壓力主要有下列４種情況，與之對(duì)應(yīng)可以得到插入閥芯組件的４種不同工作狀態(tài)，見表1。表一：控制腔壓力分類控制腔壓力情況閥芯工作狀態(tài)ＰＡＰ≥ＰＡＰＡＰ≥ＰBＡ→Ｂ不通Ｂ→Ａ不通ＰＡＰ＝ＰＡＰＡＰ<ＰBＡ→Ｂ不通Ｂ→Ａ通ＰＡＰ＝ＰBＰＡＰ<ＰＡＡ→Ｂ通Ｂ→Ａ不通ＰＡＰ<ＰＡＰＡＰ<ＰBＡ→Ｂ通Ｂ→Ａ通控制蓋板的不同在液壓系統(tǒng)中，使用具有不同控制功能的控制蓋板對(duì)控制腔進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)方向控制、壓力控制、流量控制的功能。圖5所示為美國Ｖickers幾種典型的具有不同功能的控制蓋板。（ａ）：方向及流量控制蓋板（ｂ）：壓力控制蓋板（c）：梭閥控制蓋板（ｄ）：單向閥控制蓋板圖5：插裝閥控制蓋板主閥芯面積比α＝ＡＡ：ＡＡＰ的不同根據(jù)閥芯開閉的動(dòng)靜態(tài)特性，一般選擇如下[1]：滑閥芯：常開α＝1：1，作減壓閥，調(diào)速閥使用；常閉α＝1：1，作安全閥，溢流閥使用；錐閥芯：常開α＝1：1.05—1：1.07，作壓力閥使用；常閉α＝1：1.5—1：2，作方向閥使用。其他應(yīng)該注意的問題與閥芯的開啟、關(guān)閉特性相關(guān)的問題是液阻的配置數(shù)量、大小及位置；與系統(tǒng)的工況多變、壓力干擾的問題相關(guān)的問題是單向閥、梭閥的配置；先導(dǎo)換向閥的選擇及油路瞬間路路通的現(xiàn)象是故障分析中必須要考慮的問題。3插裝式電磁溢流閥故障分析圖6所示是復(fù)烤二車間打包工序液壓系統(tǒng)電磁溢流閥原理圖；圖7所示是插裝式電磁溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。ＰＡＰＰＡＰＰＡYB(T)XA(P)AA:AP=B(T)到負(fù)載A(P)(R3qR3)PTBAPTR1R2XZ1APYXZ1APY1―――DG4-3(S)-A先導(dǎo)換向閥2―――CVCS-**C1/C3壓力調(diào)節(jié)蓋板3―――CVI-**D10圖6：溢流閥原理圖圖7：溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1結(jié)構(gòu)原理分析電磁溢流閥組件由先導(dǎo)電磁換向閥、壓力調(diào)節(jié)蓋板、插裝閥閥芯組件組成?？刂葡到y(tǒng)的加載與卸載，分析如下：3.1.1主閥芯關(guān)閉電磁閥得電，A口通壓力油時(shí)，壓力油除直接作用于主閥芯3下腔外，還通過液阻R1、R2進(jìn)入ＡＰ腔和先導(dǎo)調(diào)壓閥2的進(jìn)油口。當(dāng)PA低于先導(dǎo)調(diào)壓閥的設(shè)定壓力PT時(shí)，有PA＝PＡＰ，無液流產(chǎn)生，此時(shí)作用在主閥芯上、下兩腔的壓力相等，上腔ＡＰ腔之作用面積ＡＡＰ等于下腔A腔之作用面積ＡA（圖8中AA：AAP＝1：1）．加上彈簧力的作用，有PAP×ＡＡＰ+FT>PA×ＡA；PＡＰ=PA，ＡA＝ＡＡＰ；主閥芯可靠關(guān)閉。系統(tǒng)加載。3.1.2主閥芯開啟當(dāng)PA繼續(xù)增高，且PA>PT時(shí)，先導(dǎo)調(diào)壓閥開啟，壓力油經(jīng)由X口油路至先導(dǎo)調(diào)壓閥流回油箱，此時(shí)由于液阻R1的阻尼作用，即阻尼孔前后出現(xiàn)壓差，有：PA>PＡＰ，PA繼續(xù)增高，當(dāng)壓差足夠大時(shí)，因壓差形成的向上的液壓力開始大于彈簧力FT時(shí)，有：PA*ＡA－PＡＰ×ＡＡＰ>FT，壓力閥插件主閥芯立即上移，插裝閥閥芯3開啟，插裝閥開始起溢流作用。在此開啟過程中，因液阻R2的阻尼作用，有：PＡＰ>PT。當(dāng)插裝閥閥芯3開度一定時(shí)，圖7中先導(dǎo)調(diào)壓閥2的小錐閥、閥芯組件3的主閥芯分別處于壓力平衡狀態(tài)，有：1、液阻流量[1]：（2）式中：q：液阻閥口流量；Cd：液阻流量系數(shù)；A（Y）：液阻過流面積；ΔP：液阻進(jìn)口、出口壓差；R1的壓差ΔP＝PA－PT；ρ：液壓油密度kg/m3。2、利用細(xì)長孔流量公式，先導(dǎo)調(diào)壓閥流量[3]：（3）式中：qT：先導(dǎo)調(diào)壓閥流量等于Rl的流量qRl；μ：油液動(dòng)力黏度(pa.s)；ρ：液壓油密度kg/m3；L，d：阻尼孔R(shí)長度和閥口直徑；ΔP：阻尼孔R(shí)進(jìn)口與出口壓差；ΔP＝PT3、主閥芯平衡方程[2]：FT＋FS＋PＡＰ×AＡＰ-PA×AA-PB×AB＝0（4）其中：主閥芯液動(dòng)力是[1]：Fs＝CK*π*D*Y*sin2β*ΔP，它總是向著錐閥關(guān)閉的方向。式中：Cv：速度系數(shù)；CK：主閥流量參數(shù)(CK=CdXCv)；D：主閥芯直徑；Y：主閥開口高度；β：主閥芯半錐角；作用在閥芯上的彈簧力：FT＝K(Y0+Y)；式中：K：主閥彈簧剛度；Y0：主閥預(yù)壓縮量；Y：主閥開口高度；實(shí)際使用情況下：溢流閥B口通油箱：PB＝0；忽略液動(dòng)力FS，主閥芯剛開啟時(shí)Ｙ＝0，ＡＡ＝ＡＡＰ即面積比為1，可推導(dǎo)出：（5）主閥芯平衡時(shí)，R2沒有油液流動(dòng)，PＡＰ＝PT，有：（6）上述是電磁溢流閥的開啟過程，顯然先導(dǎo)調(diào)壓閥的設(shè)定壓力值PT決定了PA的最大壓力。3.2故障分析上述是電磁溢流閥的正常開啟過程。實(shí)際上由于長期使用，先導(dǎo)換向閥的閥芯與閥體的配合間隙增大，其泄漏量也增大，換向閥采用滑閥式換向控制方式時(shí)，依據(jù)偏心圓環(huán)泄漏量計(jì)算公式[3]：（7）式中：d：換向閥孔徑；ΔP：換向閥入口與出口壓差；h0、L：閥芯、閥體的徑向間隙及泄漏孔徑封油長度；ε：閥芯與孔徑的相對(duì)偏心率，e為偏心量；可知電磁換向閥泄漏量q正比于閥芯、閥體的徑向間隙h0的三次方。溫度的增加也導(dǎo)致了泄漏量的增大，因?yàn)楫?dāng)油溫升高時(shí)，其黏度顯著下降[3]。為了便于分析，根據(jù)液阻理論[4]，（8）將關(guān)閉狀態(tài)的電磁換向閥視作一個(gè)液阻R3，此液阻R3值與h0成反比，與油液黏度μ成正比。類比電橋概念，依據(jù)液橋理論，當(dāng)圖6中電磁鐵得電時(shí)，可得圖8所示插裝式電磁溢流閥的先導(dǎo)液壓半橋，顯然液阻Rl與R3、R4是串連的(R3、R4并聯(lián))，其中圖8右圖中與高壓側(cè)PA相連的R1是固定液阻為輸入液阻、與低壓側(cè)油箱相連的可變液阻R4為輸出液阻。換向閥液阻R3在０至∞之間變化，顯然，可變液阻R4的調(diào)定輸出壓力被與之并聯(lián)的液阻R3所限制，換向閥的工作狀態(tài)決定了先導(dǎo)溢流閥的液阻是否有壓力輸出。其中固定液阻R2的作用并不影響系統(tǒng)壓力輸出，作用是調(diào)節(jié)主閥芯上升卸荷時(shí)的背壓，減少液壓換向沖擊。圖8：插裝式電磁溢流閥的先導(dǎo)液壓半橋由圖8插裝式電磁溢流閥的先導(dǎo)液壓半橋可知：設(shè)R3和R4并聯(lián)的等效電阻為Ｒ３４，根據(jù)電工學(xué)原理：（9）在極端情況下：當(dāng)Ｒ3＝０時(shí)，Ｒ34＝０當(dāng)Ｒ３＝∞時(shí)，≈Ｒ4由此可知，系統(tǒng)最大壓力由可變液阻R4提供，即圖8中的先導(dǎo)錐閥彈簧設(shè)定。根據(jù)以上討論及公式（7），得如下結(jié)論：1、換向閥閥芯與閥孔密封良好電磁換向閥的閥芯與閥孔密封良好，液阻R3大，泄漏量qR3很小，因Rl與R3是串連的，在同等工況下(PA值相同)，則：流量qR1很小，壓差(PA—PＴ)很小，則PＴ增大，對(duì)于整個(gè)電磁溢流閥組件而言，這正是我們所期望的。但(PA—PＴ)的減小會(huì)導(dǎo)致壓力閥插件主閥芯難以開啟，這又涉及到閥芯的開啟關(guān)閉特性問題，鑒于篇幅所限不作討論。所以電磁換向閥處于正常的狀態(tài)，只有當(dāng)PA升至先導(dǎo)調(diào)壓閥開啟PT時(shí)電磁溢流閥組件才開啟。2、換向閥閥芯與閥孔密封異常電磁換向閥的閥芯和閥孔之間因長期磨損或初始配合間隙大，表現(xiàn)為液阻R3減小，qR3增大，因Rl與R3是串連的，在同等工況下(PA值相同)，則：qR1增大，壓差(PA—PＴ)增大，PＴ減小，對(duì)于整個(gè)電磁溢流閥組件而言，處于非正常的狀態(tài)，取極限狀態(tài)：R3=0，則先導(dǎo)調(diào)壓閥被短路，完全不起作用，電磁溢流閥完全開啟，可以看作直接通油箱。可見R3的減小導(dǎo)致了泄漏量的增大，而泄漏量的增大使得壓差也增大，當(dāng)壓差(PA—PＴ)達(dá)到克服彈簧力時(shí)，二通插裝閥主閥芯微量開啟，而此時(shí)的PA值則不可能達(dá)到所要求的開啟壓力PT。因此，當(dāng)換向閥液阻R3值的減小達(dá)到影響電磁溢流閥的正常工作時(shí)，有：O<PA≤PT。這表明：滑閥的泄漏雖然很小，在滑閥式液控系統(tǒng)中，系統(tǒng)加壓時(shí)，由于泵的補(bǔ)償作用，壓力損失不明顯，但在插裝式電磁溢流閥結(jié)構(gòu)中，由于阻尼R1的反饋?zhàn)饔?，泵?duì)滑閥泄漏的補(bǔ)償無法正常實(shí)現(xiàn)，反而導(dǎo)致了插裝式電磁溢流閥的不正常開啟。4插裝閥故障的排除方法4.1處理故障的要點(diǎn)1、熟悉打包機(jī)每一個(gè)工作機(jī)構(gòu)的工作步驟及該步驟各個(gè)先導(dǎo)閥的電磁鐵得電狀態(tài)，即熟悉液壓原理圖中先導(dǎo)電磁鐵得電順序表。2、掌握打包機(jī)的液壓原理圖，知道每一個(gè)缸體具體動(dòng)作中，哪些閥芯應(yīng)該關(guān)閉，哪些閥芯必須開啟。3、掌握二通插裝閥閥芯的開啟和關(guān)閉原理。4.2故障查找與排除故障1、通過PLC輸入輸出模塊信號(hào)燈查看油缸動(dòng)作條件是否齊備，即查看相關(guān)先導(dǎo)閥的電磁鐵得電是否符合液壓原理圖順序表。2、查看液壓站供油壓力是否正常，這必須在工作狀態(tài)下檢查，即有負(fù)載的情況下檢查。3、檢查閥芯、閥套是否磨損、損壞，必要時(shí)還要檢查閥套密封件是否損壞。4、檢查先導(dǎo)閥、控制蓋板、及其它功能疊加閥的油路是否通暢，清洗阻尼孔。以上僅僅談了二通插裝閥的故障排除問題。實(shí)際上的故障還涉及到機(jī)械故障、電氣故障及其它液壓元件的故障。因此，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，必須全面分析，首先分清故障類型、然后分步處理，才能及時(shí)排除故障。5實(shí)例分析在復(fù)烤二車間的二通插裝閥液壓系統(tǒng)中，近幾年來多次出現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力下降的情形，每天早上開機(jī)后2－3小時(shí)就會(huì)出現(xiàn)煙包不能壓到規(guī)定高度的現(xiàn)象，表現(xiàn)為系統(tǒng)壓力不夠。因?yàn)榱魉€作業(yè)及時(shí)間的關(guān)系，一般總是換備用件使用，然后處理故障。5.1常規(guī)方法處理實(shí)際修理過程通常用表2所示方法進(jìn)行逐步處理。表2：二通插裝溢流閥故障分析與排除故障現(xiàn)象故障原因排除方法系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定（忽高忽低）1、阻尼小孔有時(shí)堵、時(shí)通現(xiàn)象2、主閥芯錐面與閥座錐面配合不嚴(yán)3、先導(dǎo)閥閥芯錐面與閥座錐面接觸不良4、先導(dǎo)閥調(diào)節(jié)彈簧彎曲5、主閥工作不靈敏1、清洗、檢查油質(zhì)2、清洗、修復(fù)或更換3、清洗、修復(fù)或更換4、更換5、清洗、檢查油質(zhì)系統(tǒng)壓力升不高1、主閥芯錐面與閥座錐面密封不嚴(yán)2、溢流閥閥芯錐面與閥座錐面磨損嚴(yán)重3、溢流閥調(diào)節(jié)彈簧過軟4、控制蓋板端面有泄漏1、清洗、修配2、清洗、修配、更換3、更換4、更換密封圈在修理過程中，更換了插裝閥閥芯，也對(duì)插裝閥閥件的阻尼孔進(jìn)行了清洗，有時(shí)候在短時(shí)間內(nèi)也排除了故障，可使用時(shí)間不長又出現(xiàn)同樣故障。5.2實(shí)際處理情況2005年烤季，因?yàn)閭溆脵C(jī)有電器故障，預(yù)壓機(jī)出現(xiàn)壓力不足造成生產(chǎn)線停機(jī)，解決預(yù)壓機(jī)壓力不足的問題刻不容緩，按照表2的常規(guī)方法處理后系統(tǒng)壓力依然不足，在排除了葉片泵、缸體內(nèi)泄漏的可能后，考慮到設(shè)備已經(jīng)使用10年多了，開始懷疑換向閥的問題，更換