HAWE液壓向閥卡緊故障分析
摘 要:HAWE液壓向閥卡緊是液壓系統(tǒng)常見的問題,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蓪?dǎo)致事故。本文立足于HAWE向閥閥芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析,研究了HAWE向閥閥芯的卡緊力,通過對(duì)HAWE向閥產(chǎn)生卡緊故障原因進(jìn)行探討,提出了避免HAWE向閥卡緊的對(duì)策和措施。
液壓HAWE向閥是借助于閥芯與閥體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),使與閥體相連的各油路實(shí)現(xiàn)接通、切斷,或改變液流方向的閥類。目前,液壓系統(tǒng)中廣泛使用的各種液壓HAWE向閥中,均存在著卡緊現(xiàn)象。HAWE向閥卡緊基本上可分為兩種類型:一種是機(jī)械卡緊,另一種為液壓卡緊。機(jī)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(huì)楔入此間隙,從而造成閥卡現(xiàn)象。液壓卡緊則是由于液體流過此間隙時(shí),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(cè),嚴(yán)重時(shí)可使閥芯緊貼閥套以至于卡住,形成閥卡。HAWE向閥輕度卡緊,會(huì)使閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力增加,造成動(dòng)作遲緩,甚至動(dòng)作錯(cuò)亂的現(xiàn)象;而嚴(yán)重的液壓卡緊,使閥芯*卡住,不能運(yùn)動(dòng),具體可表現(xiàn)為HAWE向閥不能向,手柄的操作力增大等現(xiàn)象。
1 HAWE向閥閥芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析
HAWE向閥閥芯在液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行中同時(shí)受到外加驅(qū)動(dòng)力、液動(dòng)力、慣性力和摩擦力的作用,而與液壓卡緊有直接關(guān)系的是摩擦力,摩擦力的大小又取決于閥芯和閥孔的相對(duì)位置。
當(dāng)閥芯在液壓油膜的作用下,懸浮在閥孔內(nèi),此時(shí)產(chǎn)生的摩擦力只是液體的黏性摩擦,閥芯運(yùn)行克服的只是液體介質(zhì)的剪切力,這個(gè)力相對(duì)很小。而當(dāng)閥芯外表面與閥孔的內(nèi)表面直接接觸時(shí),這時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊界摩擦或固體摩擦,摩擦力就會(huì)很大。
通常HAWE向閥的閥芯都采用圓柱滑閥結(jié)構(gòu),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(guī)律,壓力沿圓周是均布的、平衡的,閥是被液體懸浮的,是不產(chǎn)生卡緊現(xiàn)象的。但在實(shí)際加工中,閥芯會(huì)存在一定的錐度,且出現(xiàn)偏心時(shí),由于壓力在圓周上分布不平衡而產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向力p,其與閥芯和閥套間摩擦系數(shù)相乘就得到液壓卡緊力f。
卡緊力的大小可用一個(gè)綜合量來表達(dá),表達(dá)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(shù)如圖1所示。
由此可以得出,當(dāng)t/δ1=0·9時(shí),卡緊力達(dá)到zui大值。
2 HAWE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(shí),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(fā)生卡緊現(xiàn)象。
閥芯上產(chǎn)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(wú)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(nèi)壓力分布是線性的，且各方向相等,因此閥芯上不會(huì)產(chǎn)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(shí)徑向不平衡力達(dá)到zui大值,甚至產(chǎn)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(dòng)定心。
(2)閥芯無(wú)幾何形狀誤差,但閥芯在孔中偏斜放置,產(chǎn)生很大的徑向不平衡力及轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生一個(gè)使凸起部分壓向閥孔的力矩。
(4)設(shè)計(jì)時(shí)為防止徑向不平衡力的產(chǎn)生,通常會(huì)在閥芯上開若干個(gè)環(huán)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(shí)環(huán)形槽與閥芯不同心。或由于淬火變形,造成磨削后環(huán)形槽深淺不一,這樣亦會(huì)產(chǎn)生徑向不平衡力導(dǎo)致液壓卡緊。
(5)系統(tǒng)工作壓力偏高,使磨損加劇,使閥芯、閥體產(chǎn)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(yuǎn)大于閥體(閥塊),使得配合間隙減少發(fā)生卡緊。系統(tǒng)工作流量偏大,閥從通到斷、從斷到通或向時(shí),由于液動(dòng)力對(duì)閥芯有很大的沖擊,使閥芯偏離中心位置,產(chǎn)生液壓卡緊。
2·2 機(jī)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(zhì)顆粒有效直徑大于10μm會(huì)對(duì)摩擦副產(chǎn)生磨損,而大于15μm的雜質(zhì)顆粒會(huì)直接導(dǎo)致卡死。即便是液壓油液相對(duì)純凈,長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行,也會(huì)使摩擦副零件出現(xiàn)不同心的現(xiàn)象,形成圓錐環(huán)形間隙,引起卡緊現(xiàn)象。
(2)HAWE向閥的閥芯、閥孔都較長(zhǎng),因而存在著直線度誤差。同時(shí)由于殘余應(yīng)力的存在,有時(shí)會(huì)使閥芯在使用中產(chǎn)生彎曲,嚴(yán)重時(shí)閥芯與閥孔間會(huì)產(chǎn)生較大的接觸壓力,閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦,造成閥芯運(yùn)動(dòng)阻滯,產(chǎn)生機(jī)械卡緊。
(3)對(duì)于組合式多路HAWE向閥,由于其結(jié)合面的平面度誤差也容易造成閥孔變形而導(dǎo)致卡緊。
(4)在組合式或是整體式多路中的HAWE向閥都設(shè)計(jì)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(dǎo)致運(yùn)動(dòng)阻滯,造成卡緊。
(5)將閥安裝到主機(jī)上時(shí)對(duì)連接的螺栓的扭矩不對(duì),造成閥孔變形,安裝螺栓太緊,也會(huì)引起卡緊。
3 HAWE向閥卡緊故障的規(guī)避措施
3·1 提高加工精度和裝配質(zhì)量
(1)嚴(yán)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(zhì)量,減少閥芯的熱處理殘余應(yīng)力,防止彎曲變形。
(2)對(duì)于組合式HAWE向閥,為了消除閥片間結(jié)合面平面度對(duì)卡緊的影響,可使其中一個(gè)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(jié)合面的密封。
(3)精加工后仔細(xì)清除芯上各臺(tái)肩及閥孔沉割槽邊上的毛刺。清除熱處理件的氧化皮,在轉(zhuǎn)序時(shí)利用工位器具防止零件磕碰。
(4)裝配過程中各螺栓的預(yù)緊力要適當(dāng),以防閥孔變形。
3·2 改進(jìn)閥芯結(jié)構(gòu)
(1)在閥芯的適當(dāng)位置,盡可能靠近高壓區(qū)上開設(shè)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(huán)形槽要與外圓保證同心。
(2)閥芯的精度允許時(shí),可以磨順錐(即小端朝向高壓區(qū)),也可以采用錐形臺(tái)肩,臺(tái)肩小端朝向高壓區(qū),有利于閥桿徑向?qū)χ小?br />3·3 減少油液污染和降低溫升
保證液壓系統(tǒng)的清潔度,防止油液被污染。在閥的進(jìn)口,應(yīng)按相關(guān)準(zhǔn)標(biāo)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(jìn)行充分熱交,在溫升較快的系統(tǒng)中,特別是閉式系統(tǒng),必須裝有的冷卻器,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)冷卻,以防溫度過高引發(fā)液壓卡緊。
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