HAWE液压向阀卡紧故障分析
摘 要:HAWE液压向阀卡紧是液压系统常见的问题,严重时甚至会可导致事故。本文立足于HAWE向阀阀芯结构的力学分析,研究了HAWE向阀阀芯的卡紧力,通过对HAWE向阀产生卡紧故障原因进行探讨,提出了避免HAWE向阀卡紧的对策和措施。
液压HAWE向阀是借助于阀芯与阀体之间的相对运动,使与阀体相连的各油路实现接通、切断,或改变液流方向的阀类。目前,液压系统中广泛使用的各种液压HAWE向阀中,均存在着卡紧现象。HAWE向阀卡紧基本上可分为两种类型:一种是机械卡紧,另一种为液压卡紧?；悼ń羰怯捎诜居敕准涞呐浜鲜羌湎杜浜?而液压油中的脏物会楔入此间隙,从而造成阀卡现象。液压卡紧则是由于液体流过此间隙时,由于作用在阀芯四周径向间隙中的压力不均衡,就可能把阀芯压向压力较低的一侧,严重时可使阀芯紧贴阀套以至于卡住,形成阀卡。HAWE向阀轻度卡紧,会使阀芯运动时的摩擦阻力增加,造成动作迟缓,甚至动作错乱的现象;而严重的液压卡紧,使阀芯*卡住,不能运动,具体可表现为HAWE向阀不能向,手柄的操作力增大等现象。
1 HAWE向阀阀芯结构的力学分析
HAWE向阀阀芯在液压系统正常运行中同时受到外加驱动力、液动力、惯性力和摩擦力的作用,而与液压卡紧有关系的是摩擦力,摩擦力的大小又取决于阀芯和阀孔的相对位置。
当阀芯在液压油膜的作用下,悬浮在阀孔内,此时产生的摩擦力只是液体的黏性摩擦,阀芯运行克服的只是液体介质的剪切力,这个力相对很小。而当阀芯外表面与阀孔的内表面接触时,这时会产生边界摩擦或固体摩擦,摩擦力就会很大。
通常HAWE向阀的阀芯都采用圆柱滑阀结构,如果阀芯与阀孔都具有理想圆柱面,其中心线相互平行,沿缝隙圆周的任何部位压力均为相同的直线分布规律,压力沿圆周是均布的、平衡的,阀是被液体悬浮的,是不产生卡紧现象的。但在实际加工中,阀芯会存在一定的锥度,且出现偏心时,由于压力在圆周上分布不平衡而产生一个侧向力p,其与阀芯和阀套间摩擦系数相乘就得到液压卡紧力f。
卡紧力的大小可用一个综合量来表达,表达式如下:式中δ1为大端半径间隙,δ2为小端半径间隙, t为锥度(t=δ2-δ1),其他参数如图1所示。
由此可以得出,当t/δ1=0·9时,卡紧力达到zui大值。
2 HAWE向阀卡紧故障成因分析
2·1 液压卡紧
(1)阀芯因加工而带有倒锥(锥体大端朝向高压腔),在阀芯与阀孔中心线平行且不重合时,阀芯受到径向不平衡力的作用。使阀芯和阀孔的偏心矩越来越大,直到两者表面接触而发生卡紧现象。
阀芯上产生径向不平衡液压力的各种情形,如图所示。为阀芯与阀孔无几何形状,轴心线平行但不重合的情况。这种情况下阀芯周围间隙内压力分布是线性的，且各方向相等,因此阀芯上不会产生径向不平衡力。图2b图为阀芯因加工而带有倒锥(锥部大端朝向高压腔),阀芯与阀孔轴线平行但不重合,即有偏心。阀芯受到径向不平衡力的作用,使偏心距越来越大,直到阀芯与阀孔接触为止,这时径向不平衡力达到zui大值,甚至产生了干摩擦。图2c图为阀芯带有顺锥,阀芯与阀孔轴线平行,并有偏心。虽然阀芯受到不平衡力的作用,但这种力使阀芯与阀空间的偏心距减小,使径向不平衡力减到zui小值,即可以使阀芯自动定心。
(2)阀芯无几何形状,但阀芯在孔中偏斜放置,产生很大的径向不平衡力及转矩,如图3a所示。这主要由装配或者颗粒状污染物凝聚楔入阀孔与阀芯的间隙所致。
(3)阀芯有局部凸起及残留毛刺,主要由加工或工序间转移过程中将阀芯碰伤所致,如图3b所示。凸起部分背后的液压流将造成较大的压降,产生一个使凸起部分压向阀孔的力矩。
(4)设计时为防止径向不平衡力的产生,通?；嵩诜旧峡舾筛龌沸尾?以均衡阀芯受到的径向压力,一般称为平衡槽。但在加工中有时环形槽与阀芯不同心。或由于淬火变形,造成磨削后环形槽深浅不一,这样亦会产生径向不平衡力导致液压卡紧。
(5)系统工作压力偏高,使磨损加剧,使阀芯、阀体产生形状,阀的泄漏增大,引起油液和阀的温升偏高。阀芯于高温的油液中,温升速度远大于阀体(阀块),使得配合间隙减少发生卡紧。系统工作流量偏大,阀从通到断、从断到通或向时,由于液动力对阀芯有很大的冲击,使阀芯偏离中心位置,产生液压卡紧。
2·2 机械卡紧
(1)液压油中的砂粒、铁屑、漆皮等污染物楔入阀芯与阀孔间隙使之卡紧。油液中杂质颗粒有效直径大于10μm会对摩擦副产生磨损,而大于15μm的杂质颗粒会导致卡死。即便是液压油液相对纯净,长时间的运行,也会使摩擦副零件出现不同心的现象,形成圆锥环形间隙,引起卡紧现象。
(2)HAWE向阀的阀芯、阀孔都较长,因而存在着直线度。同时由于残余应力的存在,有时会使阀芯在使用中产生弯曲,严重时阀芯与阀孔间会产生较大的接触压力,阀芯运动时产生摩擦,造成阀芯运动阻滞,产生机械卡紧。
(3)对于组合式多路HAWE向阀,由于其结合面的平面度也容易造成阀孔变形而导致卡紧。
(4)在组合式或是整体式多路中的HAWE向阀都设计有上、下盖或是定位套等定位件,这些组成件的偏心也容易引起阀芯的偏置,因而导致运动阻滞,造成卡紧。
(5)将阀安装到主机上时对连接的螺栓的扭矩不对,造成阀孔变形,安装螺栓太紧,也会引起卡紧。
3 HAWE向阀卡紧故障的规避措施
3·1 提高加工精度和装配质量
(1)严格控制阀芯、阀孔的制造精度。阀芯和阀孔的圆柱度允差为0·8~1·5μm,阀芯表面粗糙度值为ra0·2,阀孔为ra0·4,两者配合间隙为5~7μm。提高阀体的铸造质量,减少阀芯的热理残余应力,防止弯曲变形。
(2)对于组合式HAWE向阀,为了消除阀片间结合面平面度对卡紧的影响,可使其中一个面的中间部分低1~2μm,这既可减少阀孔的变形,又不致影响结合面的密封。
(3)精加工后仔细清除芯上各台肩及阀孔沉割槽边上的毛刺。清除热理件的氧化皮,在转序时利用工位器具防止零件磕碰。
(4)装配过程中各螺栓的预紧力要适当,以防阀孔变形。
3·2 改进阀芯结构
(1)在阀芯的适当位置,尽可能靠近高压区上开设均压槽,一般槽宽0·2 ~0·lk5mm,深约0·5 ~0·8mm,槽的间距为1~5 mm左右,且环形槽要与外圆保证同心。
(2)阀芯的精度允许时,可以磨顺锥(即小端朝向高压区),也可以采用锥形台肩,台肩小端朝向高压区,有利于阀杆径向对中。
3·3 减少油液污染和降低温升
保证液压系统的清洁度,防止油液被污染。在阀的,应按相关准标或要求选用适用的过滤器,保证油液的过滤精度不得低于0·03mm。由于油液和外界不能进行充分热交,在温升较快的系统中,特别是闭式系统,必须装有的冷却器,对系统进行及时冷却,以防温度过高引发液压卡紧。
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