德國HAWE液壓換向閥卡緊故障分析
摘 要:HAWE液壓換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換向閥閥芯結構的力學分析,研究了HAWE換向閥閥芯的卡緊力,通過對HAWE換向閥產生卡緊故障原因進行探討,提出了避免HAWE換向閥卡緊的對策和措施。
液壓HAWE換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換向閥中,均存在著卡緊現象。HAWE換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換向閥輕度卡緊,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換向閥不能換向,手柄的操作力增大等現象。
1 HAWE換向閥閥芯結構的力學分析
HAWE換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,而與液壓卡緊有直接關系的是摩擦力,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直接接觸時,這時會產生邊界摩擦或固體摩擦,摩擦力就會很大。
通常HAWE換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換向閥卡緊故障成因分析
2·1 液壓卡緊
(1)閥芯因加工誤差而帶有倒錐(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誤差,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圖為閥芯因加工誤差而帶有倒錐(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)閥芯無幾何形狀誤差,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。這主要由裝配誤差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?；蛴捎诖慊鹱冃?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、閥體產生形狀誤差,閥的泄漏增大,引起油液和閥的溫升偏高。閥芯處于高溫的油液中,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、從斷到通或換向時,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的雜質顆粒會直接導致卡死。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換向閥的閥芯、閥孔都較長,因而存在著直線度誤差。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換向閥,由于其結合面的平面度誤差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換向閥都設計有上、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換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,減少閥芯的熱處理殘余應力,防止彎曲變形。
(2)對于組合式HAWE換向閥,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。清除熱處理件的氧化皮,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。在閥的進口,應按相關準標或廠家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換,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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