综述压降对液压系统的影响（下）.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 0期 综述压降对液压系统的影响 下 邓江涛 ， 杨发虎 ， 石 迁 重庆迪马工业有限责任公司 研究院， 重庆4 0 1 3 3 6 摘要 一个液压系统在某处都会或多或少的产生一定 的压降 ， 但压降在某处是必须 的， 在某处是不必要的。 很 多液压系统故障的根本 原因就是 由压降没有合理解 决引发 的。 通过该文的分析 ， 提出合理 的运用 压 降必须处 、 控制压降 压降不必要处 的方法 ， 使液压 系统 设计 更合理 ， 减少液压 系统故障率 ， 提升液压系统有效效率 。 关键 词 压降 ； 背压 ； 泵控系统 ； 压力损失 中图分类号 1 3 - I 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 0 0 0 3 2 0 5 E ff e c t o f P r e s s u r e Dr o p t o t h e Hy d r a u l i c S y s t e m 2 D E N G J i a n g - t a o ， Y A NG F a - h u ， S H I Q R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h o n g q i n g D i ma I n d u s t r y L i mi t e d L i a b i l i t y C o m p a n y ， C h o n g q i n g 4 0 1 3 3 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c s y s t e m s o me w h e r e wi l l b e mo r e o r l e s s p r o d u c e a c e r t a i n p r e s s u r e d r o p ， b u t t h e p ms s u m d r o p i s n e c e s s a r y s o me w h e r e a n d i t i s u n n e c e s s a r y s o me wh e r e ． T h e roo t c a u s e s o f t h e ma n y h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e s r e t r i g g e r e d b y t h e u n r e a s o n a b l e p r e s s u re d r o p ． Th r o u g h t h e a n a l y s i s i n t h i s p a p e r ，t h e me tho d s o f r e a s o n a b l e u s e a s n e c e s s a ry a n d c o n t r o l o f p r e s s u re d rop a s u n n e c e s s a ry re p r o p o s e d t o ma k e t h e h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n mo r e r e a s o n abl e ， red u c e h y d r a u l i c s y s t e m f a i l u r e r a t e ，a n d e n h a n c e the e ff e c t i v e e ffi c i e n c y o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s p res s u r e d r o p ； b a c k p r e s s u r e ； p u mp c o n t r o l s y s t e m； p r e s s u r e l o s s O 引言 上篇已讲述有益的压降 ， 本篇讲述有害的压降 有 害的压降是不必要的 ，大部分背压就属于有害压降范 畴。装置因下游阻力或元件进、 出口阻抗比值变化而产 生的压力称为背压。 有害的压降过大则液压系统发热严 重或损 坏液压 件 ． 应严 格控 制 。 实践证明 有害的压降是很多液压系统故障的根本 原因。笔者希望通过本文的分析 ， 让液压工作者掌握控 制压降的方法 1 有害压降常导致液压系统发生的故障 有害的压降常导致以下液压系统故障发生 ①机构 自行下降； ②机构非平稳运动； ③动作混乱； ④机构运动 速度变慢； ⑤油缸、 油管爆破； ⑥电磁阀损害； ⑦液压系 统发热严重。 现分别分析这 7种常见由有害压降导致液 压系统故 障的根本原 因及控制有害压降的方法 。 1 ． 1 机构 自行 下降 图 1 为某油压机的液压原理图， 已知 系统流量 Q 5 0 Um i n ； 系统压力 p 1 6 MP a ； 件 2为 Y u k e n释压型液控 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 9 作者简介 邓江涛 1 9 7 5 一 ， 男 ， 四川邻水人 ， 大专 ， 现从事工程车辆液压系统 设计 。 3 2 单向阀。工作台 4作用于液压缸无杆腔产生的压强 P 1 ． 3 MP a 。油压机无杆腔与有杆腔的作用面积 比n 以下 同 5 。 为了使液压缸缩 回运动过程中 。 顺利地将液压缸 无杆腔油液排 出， 故设置了液控单向阀 2 【 n ． 但此油压机 处于待机状态时 ． 液压缸 3从保压状态转为 自动下行状 态 ． 现 分析其 原 因。 P I l - 6通径电磁换向阀2 - C P D G - 0 3 0 4液控单 向阀 3 一 液压缸4 一 工作 台5 一 单向阀 图 1 油压机液压原理图 查样本可知 p 5 0 L ／ rai n时， H型 6通径 电磁换 向 阀 1 P到 T的压降 △ p T 】 1 ． 1 MP a ； p 1 6 M P a时 ， Y u k e n型 C P D G一 0 3 0 4液 控 单 向阀 2的反 向开 启 压 力 P 0 ． 7 MP a 。△ p j p 。 ， 液控单向阀 2将开启 ， 则液压缸 3处 于释压状态 ， 有因 △ lp 。 ， 则液压缸 3从释压状态转为 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 l 0期 力损失，液控单 向阀 X口的压力 P 与液压缸 4有杆腔 压力 P 相等 ， 则P 为 P A P L P 2 式 中 p 一液 压缸 有杆 腔压 力 ， P a 。 单 向节流阀 2调节适 中， 使 p Y p ， 即p x p A ， 控制活 塞 2右侧力小于左侧 ， 液控单 向阀 2就不会关 闭 ． 则液 压缸 4下行就不会产生非平稳现象 3 减压 阀导致故障。图 5中叠加式减压阀 1的 目 的是使液压缸 4伸 出运动 的力小于系统压力 但因装 配顺序不 当， 导致液压缸 4缩 回运动时 ． 减压 阀 1的控 制油路 K为高压 ， 使减压阀起减压作用 ． 而使液压缸 的 输 出力减小 ， 如果节流阀 2开度调节量小于某值 ． 液压 缸就 停止运 动 ． K油路将无压力 ，减压 阀不起减压作 用 ，液压缸 4就缩 回．液压缸 4就产生了运动走走停 停 ， 即非连续运动状态 。解决方法为将减压阀 1 与节流 阀 2装配顺序调一下 ．即减压 阀 1 位于电磁 阀 3与节 流 阀 2之 间 2 K 1 4 1 一 叠加式减压阀2 一 叠加式单向节流阀3 一 电磁换向阀4 一 液压缸 图 5减 压 阀应 用原 理 图 2 机构不运动处于停止状态 笔者 曾经多次解决过因平衡 阀、单向顺序阀引起 机构不运动 ， 处于停止状态这类故障 ． 解决方法都是把 它们泄油方式由内泄型更改为外泄型 图 6为钻削一 反转 正转 1 一 大泵2 一 小 泵3 一 单联多路阀4 一 马达 5 一 单 向顺序 阀6 一 联多路 阀7 一 溢流阀 图 6 钻 削一体机液压原理图 体机液压原理 图．为了防止马达 4在重物的影 响下超 速正转 ， 故加装了内泄型单向顺序 阀 5 。调试过程 中出 现 了马达 4能低速 、 高速反转 ． 正转只能低 速 ． 扳动高 速正转手柄 ， 则 马达处于停止状态 ． 与设计不符 。判定 是 由单 向顺序 阀 5的出 口存在有害 的压降引起的 ． 把 件 5更改为外泄型单向顺序阀就解决故障了 结合图 7 单向顺序 阀结构图来分析原因 3 X B A 1 一 主阀芯2 ～ 单 向阀芯3 一 控 制柱塞 图 7单 向施【 序 阀结 构 图 要使单 向顺序阀主阀芯 1 开启 ， 控制柱塞 3受力 P 须 满足 下式 p , ,S A x - p y S A 十 F s 3 p 一 △ p A 4 p Y △ p e 5 式 3 、 式 4 、 式 5 中 p x控制油路 的压力 ， P a ； p 厂Y泄油路的压力， P a ； Js 控 制柱 塞 的面积 ， mm ； ．s A 主阀芯的面积 ， mm ； 艮一弹簧力 ， N； p 溢 流 阀设 定 压力 ， P a ； △ 多路阀到顺序阀 A 口压降 ， P a ； △ p 『__顺序阀 B口到多路阀压降 ， P a ； 广 多路 阀压降 ， P a 。 联解式 3 、 式 4 、 式 5 可以得出以下结论 1 处于停止状态 a p T ≥p 一 ； 2 走走停停状态 s 一 、s F s ≤ 缶； 3 正常工作状态 △ p ≤ △ 。 ． A 因大泵 1排量是小泵 2的 4倍 ．马达高速正转的 流量为低速正转的 5倍 ，则高速正转时 △ p 远大于低 速正转的 △ p ， 达到结论 1 的 △ p 值 ， 故出现了马达停 止转动故障 由于直动式单 向顺序 阀弹簧设计的限制 ．采用了 小直径 的控制活塞 ， 与 A K 的 比值很 大 ，通 常达 到 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l 0 ． 1 0 ． 2 0 1 3 1 O ， 中、 低压 的液压系统 ， 值很容易达到结论 1 值。 故建议选用外泄型直动式单 向顺序 阀．尽可能不选 内 泄 型的。 这样主阀芯 1不承受右侧力 。 只承受控制柱塞 3的推力 。 则处于正常工作状态 。 1 ． 3动 作 混乱 压力继电器控制的动作 回路 ．有害的压 降即回路 背压控制不好极易导致动作混乱 图 8为我公司老款 压缩式垃圾车滑板 、 刮板液压 回路 ， 就出现 了动作混乱 故障。正确的动作循环为①②③④ ， 即 滑板液压缸活 塞杆缩 回碰到行程开关 1 X K．刮板液压缸活塞杆伸 出 到行程终点 ． 压力达到压力继电器 1设定值便发讯 ． 滑 板液压缸活塞杆伸 出碰到行程开关 2 X K．刮板液压缸 活塞杆缩 回到行程终点 ．压力达到压力继 电器 2设定 值便发讯 。 实现下一个动作循环 。但到了北方冬季 ， 发 动机处于怠速状态时， ④①同时工作； 发动机加速工作 即系统流量加大时， ②③ 、 ①同时工作。 6 1、 8 -电磁 换 向 阀2、 5一 踱 压 缸3、 4 -行 程 开 关6、 7 -压 力 继 电器 图 8压力继 电器控 制动 作回路 分析故障判定为液压 回路存在很大有害的压降即 背压所致 。众所周知 ， 液压回路的沿程压力损失由公式 6 、 7 、 8 决定 6 O J 叮 『 d 。堕 7 ． 2 A 争 8 式 6 、 7 、 8 中 t 卜_ _流速 ， m ／ s ； g 流量 ， m 3 ／ s ； 管径 。 I n △ lp 沿程压力损失 ， P a ； A 沿程阻力系数 ， 是雷诺数 R e的函数关系圄 ； 管道长度 ， n l ； p 液压油密度 ， k g ／ m ； R e 雷诺数 I 一流体的运动粘度 ， mm 2 ／ s 。 北方冬季环境温度达到零下 2 0 ℃．甚至更低 ． 1 k 增 大很多 ， e 减小 ，又 因 A与 e 成函数关系 ， 将增 大 很多使 工作压力 达到压力继 电器设定值便 导致误 发 讯。当液压缸伸 出运动时． 无杆腔管路流量是有杆腔管 路流量 的 n倍 ， 如通径相等 ， 则无杆腔管路流速是有杆 腔管路 的 倍 ， 根据公式 8 可知 ， 无杆腔管路的有害 压降为有杆腔管路 的 n z 倍。故北方冬季发动机处于怠 速状态时， ④①同时工作， ②③不同时工作 ； 发动机加 速工作即系统流量加大时， ②③、 ④①都同时工作。 综上所述 ， 设计压力继电器控制的动作回路时 ． 应 考虑到环境温度最低值、 选择无杆腔管路通径 、 液压元 件规格 时应按 ／ ／ , 倍系统流量来选取 ．严格计算且控制 有害压降值使压力继 电器不得误发讯 1 ． 4 机 构运 动 速度 变慢 文献『 4 1 介绍 了大部分多级液压缸在实 际工作 中， 收回速度远达不到设计要求 ．且无负载收回时工作压 力就达到系统压力 。笔者通过对液压缸 n 、 无杆腔管路 背压分析后认 为是无杆腔管路背压所致 。多级油缸 n 值很大 ． 一般为 2 ． 3 4 5 ． 则有杆腔工作压力为无杆腔背 压的 2 ． 3 4 ～ 5倍与负载压力之和．故有杆腔工作压力很 容易达到系统压力 ． 导致 系统流量经过溢流阀溢流 ． 收 回速度减少 文献[ 5 ] t g 详细的论述了回油经过 比例多 路阀阀芯的工作油 口 A、 B到 T口的压降 △ p ，对于普 通比例多路阀是有益 、 必须 的 对于负载反馈型比例多 路阀是有害、 不必要的 无杆腔回油经过负载反馈型比 例多路 阀阀芯的有害压降 △ p 将导致 ／ 7 , 值 大的油压机 液压缸缩 回速度大大减小 ， 提 出了阀芯改进措施 加大 或取消阀芯 回油节流槽 1 ． 5液压缸、 油管爆破 设计多级液压缸 和液压缸 n 3的液压系统 ．须注 意以下几点从 而避免有害压降引发爆缸及有杆腔管路 爆破 1 有 杆腔 回路尽量不要加装 回油节流 阀 ， 否则 ． 有杆腔 回路 的压力可 以达到系统压力 的 n倍 ．如此高 的压力 就 可能 导致 液压 缸 、 有 杆 腔管路 爆破 如要调 节 液压缸伸出速度 。 建议在无杆腔 回路加装进油节流阀 2 有杆腔 回路加装 了液控单向阀、 单 向顺序 阀、 平衡 阀等先导控制阀．有可能导致无杆腔管路接通压 力油后有杆腔管路 的先导控制阀处于关闭状态 ．有杆 腔 回路 的压力达到系统压力 的 儿倍 ． 如上所述 ． 导致液 压缸、 有杆腔管路爆破。建议在有杆腔油 口与先导控制 阀之间加装直动式溢流 阀． 压力设定值为系统压力 1 ． 5 3 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 1 0期 倍 ． 这样防止有杆腔管路压力超载 ． 从而避免液压缸 、 有杆腔管路爆破 3 液压缸 有杆腔带缓 冲结构 的液压系统极易发 生液压缸爆破这一故障。当液压缸伸出进行缓冲状态 ． 此时液压缸 n值应为无杆腔作用面积与有杆腔缓 冲面 积之 比． 比原来的 n值大很多 ， 这样液压缸有杆腔处有 害压降可以达到 5倍系统压力之上 ， 甚至更高。建议此 类 的液压系统 ．应把原来的单级溢 流阀设置为多级溢 流阀． 当液压缸接近伸出缓冲运动时 ． 溢流阀设定值 由 高向低进行切换 ．使无杆腔压力降低从而有杆腔压力 降低 ． 达到液压缸缸筒许可安全强度范围即可 同时如此高的压力经过液压元件或液压缸缓冲结 构迅速降低至零 ． 极易发生气蚀现象 ． 导致局部燃烧氧 化液压油 ， 造成液压油的劣化变质 金属表面产生点状 腐蚀性磨损 密封件被烧伤。 1 ． 6电磁 阀损 害 当今 电磁换 向阀大部分为螺 纹连接式 电磁换 向 阀． 其阀体连接处为内螺纹 ． 导磁套上为外螺纹并可直 接拧到阀体上 由于其导磁套要直接承受 电磁阀 T腔 的背压 。 因而加大了导磁套 的焊接难度 ． 如果 T腔的背 压过高就可能导致导磁套的焊接处破裂 电磁 阀 T腔 的背 压过 高 还会 导 致交 流 电磁 阀衔铁 不能吸合 ， 从而磁路长 ， 磁阻大 ， 磁通量小 ， 产生 的反电 势小 自感电势 ， 致使激磁电流增加 ， 就会烧坏线圈。 1 - 7 液压 系统 发热 严重 液压油经过液压元件及管路都有压力损失 即有害 压降产生 ． 这些损失都将转化为热能导致油温上升 ， 严 重影响液压元件及液压油的使用寿命 还有一点是不 能忽视的．发热严重 的液压系统都要加装散热系统来 进行热平衡 ． 这种做法治标不治本 ． 因要用二次能源来 对第一次不必要浪费的能源进行热平衡 ．从而导致 了 两次 能 源 的浪费 2 有害压降的控制 有害压降都将转化为发热量 ．故决定液压系统效 率高低 。 文 献f 6 1 提 到 了 当今 我 国液 压 现状 设 计 者 、 书籍 、 样本往往侧重其调节功能及可靠性 ．一般不太关注系 统效率高低即发热量 很多书籍对液压发热量按总耗 能 的 4 0 ％～ 6 0 ％进行估算 没考虑流量对液压元件 、 中 位机能对换 向阀的压力损失影 响就给了一个定值 误 诱设计者选型、 设计液压系统 ． 导致很多液压系统的效 率极低 ， 笔者就曾遇到某公 司的卷板机 、 绗磨机液压有 效效率只有 2 0 ％。 为此 ． 笔者提 出几点关于控制有害压 36 降方面的建议与大家分享 1 对有害压降进行定量分析 当今大部分液压工作者是从事机械行业转行来做 液压 的． 未具备一定的理论素养 ． 故只对液压系统进行 定性分析 ． 很少去进行定量分析或不知道怎样分析 ． 如 1 ． 2节中 2 分析所述 ， 不同 △ p 值导致不同的运动。 2 流量对压力损失影响极大 众所周知 ． 对于各种液压元件 ， 通过阀口的流量均 可 由下 式得 出 Q C A x ／ 2 a p ／ p 9 式 中c _ 一流 量系数 A 阀 口通流 面积 ， m2 △ p 阀口先后压差 ， MP a ； p 流体密度 ， k g ／ m 。 管路沿程压力损失公式为式 6 、 7 、 8 。 式 6 ～ 9 可知 ， 流量对液压元件 、 管路压力损失 影响极大 几大进 口液压品牌样本都有液压元件流量 压力 损 失 曲线 图 ．设计 者 只 需按 通过 液 压元 件 的 流量 就可查得相应的压力损失 ．这里须注意不能按系统流 量去查 当前 国产液压品牌样本鲜有液压元件流量压 力损失曲线图， 希望完善样本。管路压力损失按式 6 、 7 、 8 计算后累加即可得 出管路总压力损失 ， 可参看 文献 [ 6 】 。 3 中位机 能严 重影 响换 向 阀的压力 损失 电磁换 向阀中位机能繁多 ．相同流量下对应 的压 力损失相差很大 参看 Y u k e n 、 R e x r o t h样本 ， 选型时须 注 意 。 4 液压元 件 、 管道通 径 不能按 系统 流量 选取 因 n一般为 1 ． 3 3 ～ 5 ． 甚至更大 ． 故无杆腔 回油 时经 过液压元件 、 管道 的流量就是系统流量的 1 ． 3 3 ～ 5倍 ． 甚 至 更 大 ． 如液 压 元 件 、 管道 通 径 还 是 按 系统 流 量 选 取 ， 将导致有害压降很大。建议液压元件按无杆腔 回油流 量选型 无杆腔管路通径要 比有杆腔管路通径大。 参 考 文 献 邓江涛 ， 杨发 虎 ， 石迁． 浅淡液控单 向阀的使用『 J 1 ． 工程机械 ， 2 01 2， 1 0 6 0 6 5 ． 邓江涛 ， 杨发 虎 ， 石迁 ， 李曦． 高空作业 车平衡 阀问题分析[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 1 3 ， 2 3 9 4 1 ． 张利平． 液压传动系统及设计 1 ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 5 ． 邓江涛 ． 杨发虎 ． 多级油缸活塞杆 收 回达不 到设计要 求分析 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 2 ， 7 7 6 7 7 ． 邓江涛 ． 杨发虎 ． 石迁． 负载反馈型 比例多路阀 阀芯改进措施 [ J ] ． 工程机械 ， 2 0 1 3 ， 4 ． 邓江涛 ， 杨发虎 ， 石迁 ， 陈卫． 压缩式 垃圾车温升验算 『 J ] ． 液压 气动与密封 ， 2 0 1 3 ， 3 1 0 一 l 4 ． p