负载敏感阀阀芯卡死现象的分析与研究.pdf

2 0 1 4年 7月 第4 2卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 4 ． 0 5 7 负载敏感阀阀芯卡死现象的分析与研究 李粉 霞 山西机 电职业技 术学院，山西长治 0 4 6 0 1 1 摘要液压泵体中阀芯卡死现象是常见故障之一。通过多年的维修实践 ，针对力士系列 A 1 0泵上的 D F R阀的阀芯卡死 现象进行系统的分析 ，提出在不改变材料的基础上对液压阀体内壁进行局部软氮化处理的方法 ，有效地排除了以上故障。 关键词负载敏感阀；阀芯卡死 ；氮碳共渗 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 41 8 52 在变量液压泵中，控制阀部件起着关键的作用 ， 阀芯在阀体中要进行频繁的往复运动，同时由于液压 油的流动产生的液压冲击、气蚀等现象 ，因此 ，阀体 的铸造材料就必须具备能承受复杂的载荷 ，强度 、韧 性 、耐磨性高等条件。球墨铸铁作为2 O世纪 5 0年代 发展起来 的一种 高强度铸铁材料 ，基本具备 了一 系列 的综合性能要求，迅速发展为仅次于灰铸铁的、应用 十分广泛的铸铁材料 ，也成为在液压传动领域铸造阀 体的首选材料 ，作为摩擦 副与阀芯配对 。 然而 ，这种材料在阀体中运用一段时间后，在不 间断的维修实践中发现经常会出现阀芯卡死不工作的 现象，严重的会导致整个液压系统不能正常工作。针 对以上现象，经过对 D F R阀体机制以及铸造材料的 进 一步分析 ，提 出了在不改变原有 材料 基础上 的球墨 铸铁阀体软氮化处理的有效措施 ，解决了由于材料问 题所 引起 的 阀芯 卡死 这 一难 题 。D F R 阀机 构 如 图 1 所示 。 阀芯 阀 芯 阀体 图 1 D F R阀机构图 1 阀芯卡死机制分析 在液压泵具体工作过程中，根据不同的作业环境 以及不同人员的操作 ，造成阀芯卡死的原因很多 ，例 如 阀体孑 L 与阀芯间隙过小，油温升高后 ，阀芯膨胀 卡人阀孔内；阀芯几何尺寸与形位公差超差 ，阀芯与 阀体装配轴线不重合 ；阀芯表面有毛刺 ，或阀芯被碰 伤等。对于这些由于外界环境或人为操作等原因造成 的卡死现象 ，可 以采取去除 阀芯上 的毛刺 、用 1 0 0目 油石 清理 、用相应的研磨膏研磨 、过滤油液杂质等方 式来解决 。然而对 于由于长 时间阀体与 阀芯材料磨损 等原因造成的阀芯卡死就不是那 么轻易可以解决的 了。 要从 根本上解决 力 士系列 A I O泵 上 的 D F R阀 阀 芯卡死现象 ，就要针对产生 的原 因 ，首先从原理上来 进行分 析。 1 液压冲击 在液 压系统 工作过程 中 ，阀路中流动的液压油往 往会 因阀芯的换 向或者关闭而停止运动 ，由于流动液 体和运动部件惯性 的作用 ，使系统 内瞬时形成很高 的 峰值压力 ，这种现象就称之为液压冲击。液压冲击的 出现可能对液压系统造成较大的损伤，在高压、高速 及大流量的系统中其后果更严重。 2 气 穴现象 在液压传动中，液压油总是含有一定量的空气， 空气可溶解在液压油中，也可以气泡的形式混合在液 压油 中。对 于矿物 型液压 油 ，常温时在一个 大气 压下 约有 9 ％的溶解空气。如果某一处的压力低于空气分 离压力时，溶解于油液中的空气就会从液压油中分离 出来形成气泡，当压力降至液压油的饱和蒸汽压力以 下时，油液就会沸腾而产生大量气泡。这些气泡混杂 在油液中，使得原来充满管道和元件容腔中的油液成 为不连续状态 ，这种 现象称 为气 穴现象。 在碰到高压区域时，气穴现象产生的气泡在高压 油的作用下迅速破裂，并凝结成液体使体积突然减小 而形成真空 ，周围高压油高速流过来补充。由于这一 收稿 日期 2 0 1 3 0 51 6 基金项目2 0 1 2年山西省高等学校科技研究开发项目 2 0 1 2 1 1 3 5 作者简介李粉霞 1 9 7 6 一 ，女，硕士，副教授，主要从事液压与数控技术方面的科研和教学工作。Em a i l l f x 5 1 6 8 1 6 3．c o mo 1 8 6 机床与液压 第 4 2卷 过程 是在 瞬间 发生 的 ，因而引起 局 部 液压 冲击 ，压 力和温度都 急剧上升。在气 泡凝结 区域 的管壁及其他 液压元件的表面，因长期受冲击压力和高温作用，以 及从油液 中游离 出来 的空气 的腐蚀作用 ，管道 内壁及 其他液压元件受损 ，凹凸不平。 阀体与阀芯的配合 ，中间为环形缝隙，如图2所 示 。 a 理想 情 况 b 阀芯 有偏 心 图2 阀体与阀芯的配合 环形缝隙流量可 以用以下公 式表示 q v ,a - D 11 8 3 A 7p q 1 1 Z L 式中 为流体的动力黏度系数； Z 为缝 隙的长度 ； △ p为环形缝 隙两端 的压差 。 当阀芯有偏心时 ，流量计算公式则为 11 ． 5 8 2 式中 ， 其中e 为两个圆筒形壁面的偏心距。 当阀芯不动作时 ，液压油按照环形缝隙正常 的泄 漏量流动 ，由于环形缝 隙两端压力差较大 ，因此 ，环 形缝隙上不断发生着气穴现象，当压力达到一定程度 时 ，阀芯开始 运动 ，当阀芯运动到位 ，就会 突然停止 运动 ，这样就会导致 阀路 中液压油压力骤然升高 ，压 力升高 的最大值可按下面公式计算 △ p p c t ， 3 式中 P为流体密度 k g ／ m ； 为管中原来 的流速 m ／ s ； c 为冲击波的传播速度 m ／ s 。 C 与管路的弹性、管径 、壁厚等有关 ，可按下面 公式计算 4 式中K为流体的体积弹性系数； E为管材的弹性模量 。 在实际工作过程中，阀芯始终在按照 “ 运动一 停止一运动”的程序往复地工作 ，那么液压泵体中 的液压 冲击 与气 穴 现 象 就 会 随 之 而 发 生 着 。 由式 3 可 知 ，有 时 瞬 间 压 力 可 高 达 正 常工 作 压 力 的 3～ 4 倍 。 大量 的实践证 明 在球铁 阀体上 ，由于液压 冲击 与气穴现象的持续发生，球铁阀体 内壁就会 出现腐 蚀 ，腐蚀现象导致液压 阀在经过 一段 时间 的工作后 ， 阀体 内壁 粗 糙 度 增 加 ，而 阀体 与 阀 芯 间 隙 又 很 小 一般在0 ． 0 5 m m左右 ，造成阀芯动作不灵活，继 而卡死 。 2 阀芯卡死现象的解决措施 如果为了解决阀芯卡死的现象而不断地更换阀体 阀芯 ，势必会造成成本上的极 大浪费 ，而且也会 给公 司信誉造成一定 的影响 。如何能在不改变材料的情况 下 ，提高球铁 阀体 内壁的硬度和耐磨性成为解 决问题 的最好办法。下面以对 Q T 5 0 0 - 7的软氮化处理为例进 行阐述 ，表 1 为 Q T 5 0 0 - 7力学性 能表 。 表 1 Q T 5 0 0 - 7力学性能表 材料牌号 抗拉强度 R ／ N mm。 布 氏硬度 主要基体组织 Q T 5 0 0 - 7 ≥ 5 0 0 HBW 1 70～23 0 铁素体 珠光体 在正常情况下 ，Q T 5 0 0 - 7的硬度 较低 ，通 过普通 的热处理方式并不能够大幅提高球铁 的表面硬 度。通 过不断 的试验与研究 ，对 C F R阀体采用 “ 氮碳共渗 ” 的热处理方式，使液压阀由于气穴的液压冲击而造成 的阀芯卡死现象得到 了有效 的缓解 。 氮碳共渗 ，也称软氮化 ，是指在零件表面同时渗 入氮 和碳 ，并且 以氮元素为 主的一种热处理工艺 。球 墨铸铁软氮化处理可以大大提高零件的表面硬度 、耐 磨性和疲劳抗力，并且具有一定的耐蚀性能等，主要 适用于承受小能量冲击载荷、磨损严重和需要高接触 疲劳强度 的情况 。其应用范 围很广 ，一般 以碳素结构 钢 、合金结构钢 、合金工具钢和铸铁等制作 的零件均 可进行软氮化。 3具体处理实例 在此 ，以 Q T 5 0 0 - 7软氮化处理具体措施为例来进 行说 明 。Q T 5 0 0 - 7在 R J J 一 1 0 5 9 T型 井 式 气 体 渗碳 炉 中，利用尿素进行气体氮碳共渗。装炉后，利用甲醇 以 1 5 0～1 8 0滴／ m i n的供给量进行强排气 0 ． 5～1 h ， 以除净炉内空气 ；在 5 7 0℃高温下进行共渗，保持 4 ～ 5 h ，共渗阶段炉内压力为 6 0 0～ 8 0 0 P a ，尿素供给 量为 7 0 0～9 0 0 ／ h ；零 件共 渗后 出炉油 冷 。经 上述 处 理后 ，零件 的共渗层深度达 到 0 ． 0 5～ 0 ． 0 8 m m，表面 硬度可达 到 H V 6 8 0 维氏硬度 ，比处 理前 的硬 度提 高了3倍以上 ，大大提高了阀体的使用寿命。 下转第 1 9 6页 立 灌 C 1 9 6 机床与液压 第4 2卷 以图4所示箱体零件为例，进行切削加工实验。表 2 给出了采用传统铣削和高速铣削精加工箱体 4 , 2 5 m m 孔 的外凸 台面的一些实验对 比数据 ，表 3给 出了采用 传统镗削和高速镗削精镗 4, 2 5 m m孔时的一些实验对 比数据。 表 2 传统铣削和高速铣 削实验数据对 比 表 3 传统镗削与高速镗削实验数据对比 在实验过程 中，抽 样检查 了 1 0个样 品 。由表 2 可以看出高速加工 比常规加工 的效率提高了约 5 倍 ，而质量也优 于常规加工 。 由表3可以看出与常规加工方法相比，薄壁箱 体的高速切削加工具有加工效率高、工件表面质量好 等明显优势。 3 ． 2 有限元仿真法 在薄壁零件加工 中的应用 有 限元仿真是预测薄壁零件变形规律 的重要手段 之一 ，通过建立零件加工 的有 限元模型 ，预测薄壁件 的变形规律 ，进而指导工人选择合理的加工用量。有 限元仿 真流程图如图 5 所示 。 厂 ] 导 入 C A D模 型 划分网格 定 义材 料属 性 、添 加约 束 定义 分析 计 算 切 削 力 加载 切 削力 计算 工件 变 形 结束 循环 ＼／ Y 上 输 出结果 结束 图5 有限元仿真流程图 通过有 限元分 析 ，可 以指 导 选择 合 理 的加 工用 量 ，在精加工时 ，如果在数控编程时让 刀具在原有走 刀轨迹 中按变形程度附加一个偏摆 ，补偿因变形而产 生 的让刀量 ，则可基本消除让刀误差 。从而保证薄壁 件的壁厚精度 ，提高加工的质量。 4结论 与展 望 以上对薄壁零件的分析和实践证明，采用一定的 工艺措施可 以有效解决薄壁零件变形及加工精度不高 的问题 ，但其有一定的局限性。随着我国制造业集成 化的不断推进及先进制造技术在加工业的使用 ，利用 N C机床，通过数控补偿 ，在精加工中一次走刀即可 保证薄壁零件壁厚精度 ，从 而达到高效 、经济 、优 质 加工薄壁零件 的 目的。 参考文献 [ 1 ]许景芳． 薄壁零件的车削工艺[ J ] ． 机械， 2 0 0 7 s 1 3 4 ． [ 2 ]连苏宁． 机械制造技术[ M] ． 西安 西安交通大学出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ]成大先． 机械设计手册 [ M] ． 5版． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ]艾兴． 高速切削加工技术[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 ]袁亚湘 ， 孙文瑜． 最优化理论与方法 [ M] ． 北京 科学出 版社 ， 2 0 0 3 9 2 ． 上接 第 1 8 6页 4 小 结 针对 C F R阀芯卡死 现象 进行反 复 试验 ，最终 采 用专门的软氮化炉对液压阀体内壁进行局部软氮化处 理 ，使 阀体 内壁表面 的硬度 、耐磨性 、冲击抗力 以及 耐腐蚀性能等各方面指标均有了很大改善 ，为用户节 约成本的同时，也为公司赢得了荣誉。 参考文献 [ 1 ]李安良． 液压多路换向阀双阀芯控制技术的应用 [ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 5 2 5 45 5 ． [ 2 ]许毅． 液压滑阀卡紧现象的原因及对策[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 7 1 0 1 1 0 2 ． [ 3 ]秦玉芝， 姜雪峰． 液压系统中阀的液压卡紧现象分析与 预防[ J ] ． 煤炭工程 ， 2 0 0 8 1 6 2 6 3 ． [ 4 ]邹培海， 刘忠伟． 液压阀卡紧故障的原因及其解决方法 [ J ] ． 机电产品开发与创新 ， 2 0 0 6 4 3 6 3 8 ． [ 5 ]刘鸣放， 刘胜新． 金属材料力学性能手册 [ M] ． 北京 机 械工业出版社 ， 2 0 0 5 ．