二通插装阀原理及溢流阀故障分析

PAGEPAGE11二通插装阀原理及溢流阀故障分析摘要：介绍了二通插装阀原理及描述了插装式电磁溢流阀的结构及开启特性。提出利用液阻理论，类比电桥知识，绘出插装式电磁溢流阀液压半桥图，用电工学方法分析，通过更换滑阀式换向阀解决了二通插装式电磁溢流阀系统压力不足问题。关键词：二通插装阀电磁溢流阀液阻液压半桥1引言二通插装阀是打叶复烤生产线打包工序液压系统最关键的液压元件，与传统液压元件相比，二通插装阀的主要优点如下：1、流通能力大，流阻小；2、密封性好，适合水介质，响应快、抗污染能力强；3、具有多机能，变型方便、可以高度集成、三化程度高等[1]。(/QK/91883A/2006004/21601485.html插装阀在东深供水蝶阀控制中的应用)1995年投产的复烤二车间打叶复烤生产线打包设备是美国Fishburne公司产品,它的液压系统大量使用二通插装阀。随着时间的推移，设备出现压力失调故障，导致压烟力量不足，给烟叶流水线生产带来很大影响。用常规方法处理几次后，效果不明显，换向阀的更换，发现了故障的原因。2二通插装阀工作原理2.1阀体结构二通插装阀由插入阀芯组件、先导阀、控制盖板和插装阀块4个部分组成。图1所示是典型的二通插装阀结构图及控制原理图。图2是插装阀阀芯功能符号及阀芯A，B,X油口压力作用面积投影图。图3是二通插装阀芯组件及阀芯受力分析图。图1：典型二通插装阀结构及控制原理图2：插装阀阀芯功能符号及阀芯A，B,X油口压力作用面积投影图图3：二通插装阀芯组件及阀芯受力分析2.2阀芯受力分析若不计阀芯自重、阻尼力和液动力，由图3所示可得阀芯上的力平衡方程为：ΣＦ＝FＴ＋PＡＰ×AＡＰ－（PA×AA+PB×AB）（1）式中：FＳ：弹簧力；PA、PB、PＡＰ：分别为A、B、ＡＰ油口的液体压力；AA、AB、AＡＰ：分别为上述各油口在阀芯上的有效作用面积。其中ＡＡＰ＝ＡＡ＋ＡＢ。当ΣＦ＞0时，阀芯处于关闭状态，油路A、B不通。当ΣＦ＜0时，阀芯处于开启状态，油路A、B接通。插装阀阀芯的工作状态由ＰＡ、ＰＢ、ＰＡＰ的关系确定。由于工作腔的压力ＰＡ、ＰＢ由工作负载决定，所以只能通过对控制腔压力ＰＡＰ的改变来实现对二通插装阀的控制。控制油口的液体压力PＡＰ是关键参数，PＡＰ值的变化就能控制阀芯的开启或关闭。2.3二通插装阀控制特点控制腔AAP油源供油方式不同[1]1、Ａ腔内供,图1所示就是这种控制方式，常用于ＰＡ>ＰＢ的压力阀工况。2、Ｂ腔内供，作为液控单向阀使用，常用于保压回路。3、Ａ、Ｂ腔同时内供，通过梭阀选择压力高的油口，由于控制腔压力油取自负载压力高的一端，因此确保此阀具有可靠的自锁功能。梭阀如图４所示。1、3油口进行压力比较，2口输出高压控制油对控制腔AＡＰ进行控制。图4：梭阀结构及控制原理4、外部供油，避免了负载压力的干扰，但要求外控油源压力高于系统最高压力。5、内外联合供油，这种形式综合了上述所有供油方式的特点，可靠性强，适用于系统压力波动过大的场合。在二通插装阀系统中，按照先导油的来源不同，控制腔压力主要有下列４种情况，与之对应可以得到插入阀芯组件的４种不同工作状态，见表1。表一：控制腔压力分类控制腔压力情况阀芯工作状态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通控制盖板的不同在液压系统中，使用具有不同控制功能的控制盖板对控制腔进行控制即可实现方向控制、压力控制、流量控制的功能。图5所示为美国Ｖickers几种典型的具有不同功能的控制盖板。（ａ）：方向及流量控制盖板（ｂ）：压力控制盖板（c）：梭阀控制盖板（ｄ）：单向阀控制盖板图5：插装阀控制盖板主阀芯面积比α＝ＡＡ：ＡＡＰ的不同根据阀芯开闭的动静态特性，一般选择如下[1]：滑阀芯：常开α＝1：1，作减压阀，调速阀使用；常闭α＝1：1，作安全阀，溢流阀使用；锥阀芯：常开α＝1：1.05—1：1.07，作压力阀使用；常闭α＝1：1.5—1：2，作方向阀使用。其他应该注意的问题与阀芯的开启、关闭特性相关的问题是液阻的配置数量、大小及位置；与系统的工况多变、压力干扰的问题相关的问题是单向阀、梭阀的配置；先导换向阀的选择及油路瞬间路路通的现象是故障分析中必须要考虑的问题。3插装式电磁溢流阀故障分析图6所示是复烤二车间打包工序液压系统电磁溢流阀原理图；图7所示是插装式电磁溢流阀内部结构图。ＰＡＰＰＡＰＰＡYB(T)XA(P)AA:AP=B(T)到负载A(P)(R3qR3)PTBAPTR1R2XZ1APYXZ1APY1―――DG4-3(S)-A先导换向阀2―――CVCS-**C1/C3压力调节盖板3―――CVI-**D10图6：溢流阀原理图图7：溢流阀内部结构图3.1结构原理分析电磁溢流阀组件由先导电磁换向阀、压力调节盖板、插装阀阀芯组件组成。控制系统的加载与卸载，分析如下：3.1.1主阀芯关闭电磁阀得电，A口通压力油时，压力油除直接作用于主阀芯3下腔外，还通过液阻R1、R2进入ＡＰ腔和先导调压阀2的进油口。当PA低于先导调压阀的设定压力PT时，有PA＝PＡＰ，无液流产生，此时作用在主阀芯上、下两腔的压力相等，上腔ＡＰ腔之作用面积ＡＡＰ等于下腔A腔之作用面积ＡA（图8中AA：AAP＝1：1）．加上弹簧力的作用，有PAP×ＡＡＰ+FT>PA×ＡA；PＡＰ=PA，ＡA＝ＡＡＰ；主阀芯可靠关闭。系统加载。3.1.2主阀芯开启当PA继续增高，且PA>PT时，先导调压阀开启，压力油经由X口油路至先导调压阀流回油箱，此时由于液阻R1的阻尼作用，即阻尼孔前后出现压差，有：PA>PＡＰ，PA继续增高，当压差足够大时，因压差形成的向上的液压力开始大于弹簧力FT时，有：PA*ＡA－PＡＰ×ＡＡＰ>FT，压力阀插件主阀芯立即上移，插装阀阀芯3开启，插装阀开始起溢流作用。在此开启过程中，因液阻R2的阻尼作用，有：PＡＰ>PT。当插装阀阀芯3开度一定时，图7中先导调压阀2的小锥阀、阀芯组件3的主阀芯分别处于压力平衡状态，有：1、液阻流量[1]：（2）式中：q：液阻阀口流量；Cd：液阻流量系数；A（Y）：液阻过流面积；ΔP：液阻进口、出口压差；R1的压差ΔP＝PA－PT；ρ：液压油密度kg/m3。2、利用细长孔流量公式，先导调压阀流量[3]：（3）式中：qT：先导调压阀流量等于Rl的流量qRl；μ：油液动力黏度(pa.s)；ρ：液压油密度kg/m3；L，d：阻尼孔R长度和阀口直径；ΔP：阻尼孔R进口与出口压差；ΔP＝PT3、主阀芯平衡方程[2]：FT＋FS＋PＡＰ×AＡＰ-PA×AA-PB×AB＝0（4）其中：主阀芯液动力是[1]：Fs＝CK*π*D*Y*sin2β*ΔP，它总是向着锥阀关闭的方向。式中：Cv：速度系数；CK：主阀流量参数(CK=CdXCv)；D：主阀芯直径；Y：主阀开口高度；β：主阀芯半锥角；作用在阀芯上的弹簧力：FT＝K(Y0+Y)；式中：K：主阀弹簧刚度；Y0：主阀预压缩量；Y：主阀开口高度；实际使用情况下：溢流阀B口通油箱：PB＝0；忽略液动力FS，主阀芯刚开启时Ｙ＝0，ＡＡ＝ＡＡＰ即面积比为1，可推导出：（5）主阀芯平衡时，R2没有油液流动，PＡＰ＝PT，有：（6）上述是电磁溢流阀的开启过程，显然先导调压阀的设定压力值PT决定了PA的最大压力。3.2故障分析上述是电磁溢流阀的正常开启过程。实际上由于长期使用，先导换向阀的阀芯与阀体的配合间隙增大，其泄漏量也增大，换向阀采用滑阀式换向控制方式时，依据偏心圆环泄漏量计算公式[3]：（7）式中：d：换向阀孔径；ΔP：换向阀入口与出口压差；h0、L：阀芯、阀体的径向间隙及泄漏孔径封油长度；ε：阀芯与孔径的相对偏心率，e为偏心量；可知电磁换向阀泄漏量q正比于阀芯、阀体的径向间隙h0的三次方。温度的增加也导致了泄漏量的增大，因为当油温升高时，其黏度显著下降[3]。为了便于分析，根据液阻理论[4]，（8）将关闭状态的电磁换向阀视作一个液阻R3，此液阻R3值与h0成反比，与油液黏度μ成正比。类比电桥概念，依据液桥理论，当图6中电磁铁得电时，可得图8所示插装式电磁溢流阀的先导液压半桥，显然液阻Rl与R3、R4是串连的(R3、R4并联)，其中图8右图中与高压侧PA相连的R1是固定液阻为输入液阻、与低压侧油箱相连的可变液阻R4为输出液阻。换向阀液阻R3在０至∞之间变化，显然，可变液阻R4的调定输出压力被与之并联的液阻R3所限制，换向阀的工作状态决定了先导溢流阀的液阻是否有压力输出。其中固定液阻R2的作用并不影响系统压力输出，作用是调节主阀芯上升卸荷时的背压，减少液压换向冲击。图8：插装式电磁溢流阀的先导液压半桥由图8插装式电磁溢流阀的先导液压半桥可知：设R3和R4并联的等效电阻为Ｒ３４，根据电工学原理：（9）在极端情况下：当Ｒ3＝０时，Ｒ34＝０当Ｒ３＝∞时，≈Ｒ4由此可知，系统最大压力由可变液阻R4提供，即图8中的先导锥阀弹簧设定。根据以上讨论及公式（7），得如下结论：1、换向阀阀芯与阀孔密封良好电磁换向阀的阀芯与阀孔密封良好，液阻R3大，泄漏量qR3很小，因Rl与R3是串连的，在同等工况下(PA值相同)，则：流量qR1很小，压差(PA—PＴ)很小，则PＴ增大，对于整个电磁溢流阀组件而言，这正是我们所期望的。但(PA—PＴ)的减小会导致压力阀插件主阀芯难以开启，这又涉及到阀芯的开启关闭特性问题，鉴于篇幅所限不作讨论。所以电磁换向阀处于正常的状态，只有当PA升至先导调压阀开启PT时电磁溢流阀组件才开启。2、换向阀阀芯与阀孔密封异常电磁换向阀的阀芯和阀孔之间因长期磨损或初始配合间隙大，表现为液阻R3减小，qR3增大，因Rl与R3是串连的，在同等工况下(PA值相同)，则：qR1增大，压差(PA—PＴ)增大，PＴ减小，对于整个电磁溢流阀组件而言，处于非正常的状态，取极限状态：R3=0，则先导调压阀被短路，完全不起作用，电磁溢流阀完全开启，可以看作直接通油箱。可见R3的减小导致了泄漏量的增大，而泄漏量的增大使得压差也增大，当压差(PA—PＴ)达到克服弹簧力时，二通插装阀主阀芯微量开启，而此时的PA值则不可能达到所要求的开启压力PT。因此，当换向阀液阻R3值的减小达到影响电磁溢流阀的正常工作时，有：O<PA≤PT。这表明：滑阀的泄漏虽然很小，在滑阀式液控系统中，系统加压时，由于泵的补偿作用，压力损失不明显，但在插装式电磁溢流阀结构中，由于阻尼R1的反馈作用，泵对滑阀泄漏的补偿无法正常实现，反而导致了插装式电磁溢流阀的不正常开启。4插装阀故障的排除方法4.1处理故障的要点1、熟悉打包机每一个工作机构的工作步骤及该步骤各个先导阀的电磁铁得电状态，即熟悉液压原理图中先导电磁铁得电顺序表。2、掌握打包机的液压原理图，知道每一个缸体具体动作中，哪些阀芯应该关闭，哪些阀芯必须开启。3、掌握二通插装阀阀芯的开启和关闭原理。4.2故障查找与排除故障1、通过PLC输入输出模块信号灯查看油缸动作条件是否齐备，即查看相关先导阀的电磁铁得电是否符合液压原理图顺序表。2、查看液压站供油压力是否正常，这必须在工作状态下检查，即有负载的情况下检查。3、检查阀芯、阀套是否磨损、损坏，必要时还要检查阀套密封件是否损坏。4、检查先导阀、控制盖板、及其它功能叠加阀的油路是否通畅，清洗阻尼孔。以上仅仅谈了二通插装阀的故障排除问题。实际上的故障还涉及到机械故障、电气故障及其它液压元件的故障。因此，当发生故障时，必须全面分析，首先分清故障类型、然后分步处理，才能及时排除故障。5实例分析在复烤二车间的二通插装阀液压系统中，近几年来多次出现液压系统压力下降的情形，每天早上开机后2－3小时就会出现烟包不能压到规定高度的现象，表现为系统压力不够。因为流水线作业及时间的关系，一般总是换备用件使用，然后处理故障。5.1常规方法处理实际修理过程通常用表2所示方法进行逐步处理。表2：二通插装溢流阀故障分析与排除故障现象故障原因排除方法系统压力不稳定（忽高忽低）1、阻尼小孔有时堵、时通现象2、主阀芯锥面与阀座锥面配合不严3、先导阀阀芯锥面与阀座锥面接触不良4、先导阀调节弹簧弯曲5、主阀工作不灵敏1、清洗、检查油质2、清洗、修复或更换3、清洗、修复或更换4、更换5、清洗、检查油质系统压力升不高1、主阀芯锥面与阀座锥面密封不严2、溢流阀阀芯锥面与阀座锥面磨损严重3、溢流阀调节弹簧过软4、控制盖板端面有泄漏1、清洗、修配2、清洗、修配、更换3、更换4、更换密封圈在修理过程中，更换了插装阀阀芯，也对插装阀阀件的阻尼孔进行了清洗，有时候在短时间内也排除了故障，可使用时间不长又出现同样故障。5.2实际处理情况2005年烤季，因为备用机有电器故障，预压机出现压力不足造成生产线停机，解决预压机压力不足的问题刻不容缓，按照表2的常规方法处理后系统压力依然不足，在排除了叶片泵、缸体内泄漏的可能后，考虑到设备已经使用10年多了，开始怀疑换向阀的问题，更换