两级电液比例方向阀常见故障与排除方法.pdf

第2 3 卷第3 期 2 0 1 3 生 9 P ] 江 汉 石 油 科 技 J I ANG HAN P E T RO L E UM S C I ENC E AND T EC HNO L OGY V0 1 ． 2 3 No ． 3 S e p． 2 01 3 两级 电液 比例 方 向阀常见 故障与排除方法 陈 效 中国石化江汉石油管理局第四石油机械厂 ，湖北荆州 4 3 4 0 2 4 摘要 在实际工业应用中，比例 阀受到温度 、振动 、阀芯磨损 、脏物堵塞、机械加工精度和比例控制 器等因素的影响，会导致其性能下降甚至失效，从 而使 系统不能正常工作。针 对比例方向阀的常见故障及诊 断与排除方法 充分过 滤或更换液压油、对 系统管道 _ 4 q - 冲洗、对比例阀阀芯进行研磨 ，对磨损零件进行配 磨或更换、将输入信号设定为一定频率的正弦信号，使阀芯在 阀体 内来回快速运动，在 高压液压油的冲击下 使 污染物颗粒带出阀体。 关键词 比例方向阀；故障诊断；排 除方法 电液比例方向阀是电液比例控制技术中的核心 元件，它既可以根据输入电信号的大小和极性连续 成 比例地对 液压系统 的流量 、方 向进行远距离控 制 ，又在制造成本 、抗污染 、节能等方面优于电液 伺 服阀，且其动 、静 态特 l生也能满足一般 的工业应 用要求 ，因此广泛应用 于对控制性能要求不高的一 般 工业部 门 。但在实 际工业应 用 中，由于受到温 度、振动、阀芯磨损 、脏物堵塞、机械加工精度和 比例控制器等 因素的影响，导致 比例方 向阀各项性 能下降甚至失效， 从而使系统不能正常工作。因此 研究其常见故障与诊断的方法具有实际意义。 1 油液污染 比例 方 向 阀 对 油 液 的 污 染 度 通 常 要 求 为 N A S 1 6 3 8 的 7 、 8 、 9 级 I S O 1 7／ 1 4 ， 1 8 ／ 1 5 ， 1 9 ／ 1 6 级 ，决定 这一指标 的主要 环节是 先导级。虽 然 电液比例 阀较伺服阀的抗污染能力强 ，但在实际 工业应用中 ，由于受到工作环境 的影响 ，液压油 中 常常混入了较多的粉尘和金属颗粒等污染物 ，致使 很多故障由油液污染 所引起。在电液 比例控制系统 中，油液污染容易造成 比例方 向阀等 阀类元件的阀 芯 、阀座卡死 。 1 ． 1 油液污染常见失效模式 1 ． 1 ． 1 淤积失 效 比例方向阀的阀芯与阀套的配合间隙为2 6 r n 。当阀芯静止并处 于受压状态时 ，污染物 中与半 径问隙尺寸接近的颗粒就有可能随着油液的流动淤 积在 阀芯与阀套之问。随着污染物的聚集，阀芯与 阀套 间的滑动摩擦和静摩擦力逐渐增大 ，使阀的响 应变慢 ，当污染物聚集严重导致堵塞时 ，阀芯可能 会无法动作 。 1 ． 1 ． 2 卡 阻失效 比例阀在工作一段时期后，由于阀芯并不是始 终工作在全行程工况 ，二级 比例方 向阀结构示意图 如 图1 所示 ，阀芯 、阀套 出现不均匀的磨损 ，它们 的配合间隙存在差异，阀体在工作时受液动力的作 用产生侧向载荷，造成阀芯与阀套的卡紧， 使阀芯 在阀套 中的滑动不平稳 ，严重 时阀芯会卡阻在 阀套 内。见图1 。 1 ． 1 ． 3 冲蚀 失效 冲蚀失效是 由比阀芯或阀套的表面更硬的颗粒 冲蚀 阀芯的节流棱边引起的。如图2 ，在阀芯开 口 较小时 ，液压油中的硬质颗粒 冲刷阀芯和阀套的棱 边，其作用类似切削加工，当阀芯或阀套的节流棱 边被损坏，成为类似钝角时，就会降低阀的压力增 益 ，增加零位泄漏 ，导致控制功能失效。见图2 。 作者简介陈效 ，2 0 0 0 7 月毕业于武汉理工大学 流体传动及 控制专业 ，现任 江汉石油管理局第四石油机 械厂钻机分 厂工程师，研究 方向钻机装配及试验，液 压故障诊断 。 6 4 江 汉 石 油 科 技 第2 3 卷 2 P B T 图 1 极 间带位 移一 力反 馈的 二级 比例 方向 阀 A B 图2阀芯 冲蚀 失效 部位 1 ． 2 排除方法 针对上述由油液污染 引起 的阀芯 、阀座失效 ， 总结了以下方式对故障进行排除 1 充分过滤或更换液压油。 2 对系统管道进行冲洗 。 3 对比例阀阀芯进行研磨，对磨损零件进 行配磨或更换。 4 将输入信号设定为一定频率的正弦信 号 ，使 阀芯在阀体内来回快速运动，在高压液压油 的冲击下使污染物颗粒带出阀体 。 2 比例方向阀零位死区 比例阀 自身死区 、可动部件的摩擦特性和控制 线圈的滞环特性等 ，都是造成 阀芯不能获得线性输 出的主要因素。比例方向阀通常属于正重叠四边滑 阀 ，其工作特性可分为三部分 ，如图3 所示 ，C D 段 为 阀的零位死 区段 ，B C、D E 为线性段 ，A B、E F 为 l 、2 一 比例电磁铁 3 、4 一单控制边滑阀 5 一先 导滑 阀左控制 边 先导滑阀右控制边 7 一反馈弹簧杆 8 一 主阀芯 9 、1 卜 机械对 中弹簧 IL／ m i n E F C I i 一 |- O 4 叫 0 图3 比例 方 向阀的流量 特性 示意 图 叫 r 。 ； I 强d X ／ ． ． 一．一．．-J q l 0 输 量X 图4比例方 向 阀控 制特 眭 饱和段 。其 中，正遮盖造成的零位死区对由其构成 的电液比例系统的性能影响尤为严重。 阀芯在通过中位时，执行机构将有一段时间不 能响应指令信号，即这类阀存在一定零位死区。比 例 方 向阀流量死 区一般 占额定输 入值 的l 5 ％ ～2 0 ％ ，如图4 所示 ，且其范围随供油压力 、负载和油 液温度的变化而变化。在位置闭环时 ，这种死区将 第3 期 陈效 两级 电 液比例 方 向 阀常 见故 障 与排 除方法 6 5 影 响控制系统的稳定性和动态 特性。因此 ，要获得 比例系统的伺服控制效果，就必须尽量减弱比例阀 死 区对系统 的影响。 比例方 向阀的驱动信号由控制信号和死区补偿 信号组成。死区补偿的目的是通过改变比例阀的输 入控制信号，使得阀芯快速通过其中位附近的重叠 区 ，减弱死 区的滞后效应 ，增加系统的响应速度 ， 提高控制精度 。目前 比较常用 的减小死 区的方法有 先导电流法 和定值补偿法。 1 先导 电流法 比例方向阀的流量特性曲线在靠近零点时，此 时额定电流很小 ，阀没有流量输出。因此 ，这段不 能设 定电流 ，对于 电流量的调 节范 围，最好超 过 2 0 ％。通过在控制器上设定最小 电流 I 或者通过 提高控制器在零位附近的灵敏度来达到有效地消除 或者显著地减小 死区，如图5 所示。当最大补偿 时，很小的输入信号就使阀芯 “ 跳过”死区，从而 消除其影响。 2 定值补偿法 这种补偿方法是在比例控制放大器中设置阶跃 函数发生器 ，产生继电型非线性控制信号，用以补 偿死区。补偿信号的幅值， 在调整后仍保持不变 死 区定值补偿值 。为保证补偿后系统的充分稳定陛， 一 般取比例方 向阀可能产生的最小死 区范围为补偿 值 。 当比例方向阀换 向，阀芯即将进入中位重叠 区 时 ，切换阀的死区补偿 电压 ，对 阀的输入输 出特性 要进行补偿 ，即在程序 中的比例阀输入信号中加人 相应的常值电压，使阀芯快速通过重叠区。因此适 当的死区补偿 电压 ，可 以消除阀的输入输出特性上 I A 死 区现象。 3 维修测试 中的常见故障及其排除方 法 1 阀芯始终处于零位或者偏到阀内一侧 此类现象通常是由阀芯与阀套间摩擦过大，阀芯卡 死所引起 的，须取出阀芯 ，用规格为P 8 0 0～1 2 0 0 的 细砂纸对其研磨，同时用干净的液压油对阀芯表面 和阀套内壁进行冲洗。 2 零位死区过大 比例方 向阀的零位死 区 由阀芯 自身结构的正遮盖量引起 ，一般可通过在放 大器 中设计快跳电路减小死区范围。造成 比例阀零 位死区过大 的因素有很多 ，例如放大器快跳电路参 数设置不正确、阀芯阀套内有杂质颗粒致使阀芯卡 死 、先导级与主级之间存在泄漏等等。解决此类问 题，首先应检查比例放大器中快跳电路的参数设置 是否正确 ；其次 ，检查先导级与主级间是否有密封 装置或密封装置安装 是否正确 ；最后 ，将 比例阀拆 开 ，取出阀芯 ，用煤油将阀芯 、阀套冲洗干净 ，消 除油液中的杂质颗粒对 比例阀输出特眭的影响。 3零位死区不对称 零位死区不对称通常 是 由于比例阀在长时间高 、负荷的工作条件下 阀内 弹簧的预压缩量发生变化 ，此时须在压力控制特性 测试条件下重新调整 比例阀端面上的调节螺钉，直 至零位死区呈对称状态。 4 滞环大滞环是由电液比例元件内存在 的磁滞 、运动部件的静摩擦 、弹性元件 的弹性滞环 始终与控制信号变化方向相反造成的。为减小滞环 对元件稳态控制特性 的影响，放大器的输出电流 中 闹口奸腹 U g V 输入信号 图5 电流量补偿示意图 下 转第7 O 页 7 0 江 汉 石 油 科 技 第2 3 卷 上 接第6 5 页 应含有一定频率和幅值的颤振电流 ，检查 比例控制 器 中控制信号参数设置是否对称。再者 ，油液 中的 杂质颗粒物也可造成 比例阀的滞环大，所 以油液进 入 比例阀前 ，必须经过滤精度 1 5 m以下的过滤器 过滤 ，油箱必须密封并加空气滤清器 ，使用前对比 例系统要经过充分清洗 、过滤。 4 结语 电液比例方向阀作为电液比例控制技术中的核 心元件 ，广泛应用于工程机械 、石油 、钢铁和冶金 等行业 ，充分了解并 熟知其在实际工程应用中的常 见故障和诊 断及其排 除方法是 工程技术人员必备技 能之一 ，对工业设备 的维护和提高生产效率具有 十 分重要的意义。当然 ，随着电液比例阀加工工艺的 不断改进 、新型工作介质的开发，油液污染和零位 死 区等因素对 比例 阀性能的不利影 响将会 大大减 小 ，基于人工智能和神经网络及各种算法 的控制器 的不断发展 ，也会对控制系统提供更有效 的解决手 段 。 参考文献 [ 1 】 许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ r C 1 ] ． 北京机械 工 业出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 】 王明兴． 比例方向阀控制回路中的压力补偿[ J 】 ． 液压气动 与密封，2 0 0 8 2 ． [ 3 】 黄卉，程顺． 电液比例方向流量阀的特性分析及应用『 J 1 ． 现代机械，2 0 0 1 3． [ 4 ] 吴根茂，邱秀敏等． 新编实用电液比例技术[ M 】 ． 杭州 浙江大学出版社 ，2 0 0 6 ． 编辑李智勇