HAWE液壓向閥卡緊故障分析
摘 要:HAWE液壓向閥卡緊是液壓系統常見的問題,嚴重時甚至會可導致事故。本文立足于HAWE向閥閥芯結構的力學分析,研究了HAWE向閥閥芯的卡緊力,通過對HAWE向閥產生卡緊故障原因進行探討,提出了避免HAWE向閥卡緊的對策和措施。
液壓HAWE向閥是借助于閥芯與閥體之間的相對運動,使與閥體相連的各油路實現接通、切斷,或改變液流方向的閥類。目前,液壓系統中廣泛使用的各種液壓HAWE向閥中,均存在著卡緊現象。HAWE向閥卡緊基本上可分為兩種類型:一種是機械卡緊,另一種為液壓卡緊。機械卡緊是由于閥芯與閥套間的配合是間隙配合,而液壓油中的臟物會楔入此間隙,從而造成閥卡現象。液壓卡緊則是由于液體流過此間隙時,由于作用在閥芯四周徑向間隙中的壓力不均衡,就可能把閥芯壓向壓力較低的一側,嚴重時可使閥芯緊貼閥套以至于卡住,形成閥卡。HAWE向閥輕度卡緊,會使閥芯運動時的摩擦阻力增加,造成動作遲緩,甚至動作錯亂的現象;而嚴重的液壓卡緊,使閥芯*卡住,不能運動,具體可表現為HAWE向閥不能向,手柄的操作力增大等現象。
1 HAWE向閥閥芯結構的力學分析
HAWE向閥閥芯在液壓系統正常運行中同時受到外加驅動力、液動力、慣性力和摩擦力的作用,而與液壓卡緊有關系的是摩擦力,摩擦力的大小又取決于閥芯和閥孔的相對位置。
當閥芯在液壓油膜的作用下,懸浮在閥孔內,此時產生的摩擦力只是液體的黏性摩擦,閥芯運行克服的只是液體介質的剪切力,這個力相對很小。而當閥芯外表面與閥孔的內表面接觸時,這時會產生邊界摩擦或固體摩擦,摩擦力就會很大。
通常HAWE向閥的閥芯都采用圓柱滑閥結構,如果閥芯與閥孔都具有理想圓柱面,其中心線相互平行,沿縫隙圓周的任何部位壓力均為相同的直線分布規律,壓力沿圓周是均布的、平衡的,閥是被液體懸浮的,是不產生卡緊現象的。但在實際加工中,閥芯會存在一定的錐度,且出現偏心時,由于壓力在圓周上分布不平衡而產生一個側向力p,其與閥芯和閥套間摩擦系數相乘就得到液壓卡緊力f。
卡緊力的大小可用一個綜合量來表達,表達式如下:式中δ1為大端半徑間隙,δ2為小端半徑間隙, t為錐度(t=δ2-δ1),其他參數如圖1所示。
由此可以得出,當t/δ1=0·9時,卡緊力達到zui大值。
2 HAWE向閥卡緊故障成因分析
2·1 液壓卡緊
(1)閥芯因加工而帶有倒錐(錐體大端朝向高壓腔),在閥芯與閥孔中心線平行且不重合時,閥芯受到徑向不平衡力的作用。使閥芯和閥孔的偏心矩越來越大,直到兩者表面接觸而發生卡緊現象。
閥芯上產生徑向不平衡液壓力的各種情形,如圖所示。為閥芯與閥孔無幾何形狀,軸心線平行但不重合的情況。這種情況下閥芯周圍間隙內壓力分布是線性的，且各方向相等,因此閥芯上不會產生徑向不平衡力。圖2b圖為閥芯因加工而帶有倒錐(錐部大端朝向高壓腔),閥芯與閥孔軸線平行但不重合,即有偏心。閥芯受到徑向不平衡力的作用,使偏心距越來越大,直到閥芯與閥孔接觸為止,這時徑向不平衡力達到zui大值,甚至產生了干摩擦。圖2c圖為閥芯帶有順錐,閥芯與閥孔軸線平行,并有偏心。雖然閥芯受到不平衡力的作用,但這種力使閥芯與閥空間的偏心距減小,使徑向不平衡力減到zui小值,即可以使閥芯自動定心。
(2)閥芯無幾何形狀,但閥芯在孔中偏斜放置,產生很大的徑向不平衡力及轉矩,如圖3a所示。這主要由裝配或者顆粒狀污染物凝聚楔入閥孔與閥芯的間隙所致。
(3)閥芯有局部凸起及殘留毛刺,主要由加工或工序間轉移過程中將閥芯碰傷所致,如圖3b所示。凸起部分背后的液壓流將造成較大的壓降,產生一個使凸起部分壓向閥孔的力矩。
(4)設計時為防止徑向不平衡力的產生,通常會在閥芯上開若干個環形槽,以均衡閥芯受到的徑向壓力,一般稱為平衡槽。但在加工中有時環形槽與閥芯不同心。或由于淬火變形,造成磨削后環形槽深淺不一,這樣亦會產生徑向不平衡力導致液壓卡緊。
(5)系統工作壓力偏高,使磨損加劇,使閥芯、閥體產生形狀,閥的泄漏增大,引起油液和閥的溫升偏高。閥芯于高溫的油液中,溫升速度遠大于閥體(閥塊),使得配合間隙減少發生卡緊。系統工作流量偏大,閥從通到斷、從斷到通或向時,由于液動力對閥芯有很大的沖擊,使閥芯偏離中心位置,產生液壓卡緊。
2·2 機械卡緊
(1)液壓油中的砂粒、鐵屑、漆皮等污染物楔入閥芯與閥孔間隙使之卡緊。油液中雜質顆粒有效直徑大于10μm會對摩擦副產生磨損,而大于15μm的雜質顆粒會導致卡死。即便是液壓油液相對純凈,長時間的運行,也會使摩擦副零件出現不同心的現象,形成圓錐環形間隙,引起卡緊現象。
(2)HAWE向閥的閥芯、閥孔都較長,因而存在著直線度。同時由于殘余應力的存在,有時會使閥芯在使用中產生彎曲,嚴重時閥芯與閥孔間會產生較大的接觸壓力,閥芯運動時產生摩擦,造成閥芯運動阻滯,產生機械卡緊。
(3)對于組合式多路HAWE向閥,由于其結合面的平面度也容易造成閥孔變形而導致卡緊。
(4)在組合式或是整體式多路中的HAWE向閥都設計有上、下蓋或是定位套等定位件,這些組成件的偏心也容易引起閥芯的偏置,因而導致運動阻滯,造成卡緊。
(5)將閥安裝到主機上時對連接的螺栓的扭矩不對,造成閥孔變形,安裝螺栓太緊,也會引起卡緊。
3 HAWE向閥卡緊故障的規避措施
3·1 提高加工精度和裝配質量
(1)嚴格控制閥芯、閥孔的制造精度。閥芯和閥孔的圓柱度允差為0·8~1·5μm,閥芯表面粗糙度值為ra0·2,閥孔為ra0·4,兩者配合間隙為5~7μm。提高閥體的鑄造質量,減少閥芯的熱理殘余應力,防止彎曲變形。
(2)對于組合式HAWE向閥,為了消除閥片間結合面平面度對卡緊的影響,可使其中一個面的中間部分低1~2μm,這既可減少閥孔的變形,又不致影響結合面的密封。
(3)精加工后仔細清除芯上各臺肩及閥孔沉割槽邊上的毛刺。清除熱理件的氧化皮,在轉序時利用工位器具防止零件磕碰。
(4)裝配過程中各螺栓的預緊力要適當,以防閥孔變形。
3·2 改進閥芯結構
(1)在閥芯的適當位置,盡可能靠近高壓區上開設均壓槽,一般槽寬0·2 ~0·lk5mm,深約0·5 ~0·8mm,槽的間距為1~5 mm左右,且環形槽要與外圓保證同心。
(2)閥芯的精度允許時,可以磨順錐(即小端朝向高壓區),也可以采用錐形臺肩,臺肩小端朝向高壓區,有利于閥桿徑向對中。
3·3 減少油液污染和降低溫升
保證液壓系統的清潔度,防止油液被污染。在閥的,應按相關準標或要求選用適用的過濾器,保證油液的過濾精度不得低于0·03mm。由于油液和外界不能進行充分熱交,在溫升較快的系統中,特別是閉式系統,必須裝有的冷卻器,對系統進行及時冷卻,以防溫度過高引發液壓卡緊。
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