胡天喜,肖 峻

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

輪對(duì)組裝機(jī)是集機(jī)械、液壓、電氣為一體的大型綜合復(fù)雜系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)作為輪對(duì)組裝機(jī)的主要?jiǎng)恿Σ糠?，長(zhǎng)期工作在高壓、溫度變化跨度大與多振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)，因此故障發(fā)生率很高?，F(xiàn)場(chǎng)使用情況表明，該液壓系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障是泄漏[1]。

輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)存在許多零件裝配與零件之間的相對(duì)移動(dòng)，每對(duì)運(yùn)動(dòng)副之間都存在一些間隙，總有少量介質(zhì)通過(guò)間隙，因此泄漏是一定存在的。泄漏分為外泄漏和內(nèi)泄漏[2-4]，外泄漏發(fā)生在液壓閥外部結(jié)合面、管接頭、泵接頭、油缸外部結(jié)合面等部位；內(nèi)泄漏是指油液在元件內(nèi)部通過(guò)間隙從高壓油腔向低壓油腔滲漏的現(xiàn)象，且發(fā)生在較為隱蔽的位置[5]，但其危害是巨大的。

早期輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初是基于滿(mǎn)足輪對(duì)組裝基本功能要求設(shè)計(jì)的，而在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，出現(xiàn)了諸多液壓系統(tǒng)性能退化與液壓故障。內(nèi)泄漏是該液壓系統(tǒng)最典型與頻繁的故障之一。內(nèi)泄漏會(huì)導(dǎo)致該液壓系統(tǒng)損失能量，壓力降低，使執(zhí)行元件產(chǎn)生爬行、出力不足、保壓性能退化等問(wèn)題[6-7]。輪對(duì)組裝機(jī)反壓工況時(shí)，對(duì)液壓系統(tǒng)保壓性能要求較高。在實(shí)際使用過(guò)程中，常出現(xiàn)保壓壓力不穩(wěn)，達(dá)不到工作要求。筆者基于輪對(duì)反壓工況，利用AMESim液壓仿真軟件，建立輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型[8-10]，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行內(nèi)泄漏因素仿真分析，得出影響液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏的主要因素。為輪對(duì)組裝機(jī)故障診斷、后期維護(hù)與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)依據(jù)。

1 輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理與泄漏故障機(jī)理分析

1.1 輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理

輪對(duì)組裝機(jī)主要由液壓泵、液壓閥、左右液壓缸、龍門(mén)臥式床身、左右套筒、插板擋塊、測(cè)量裝置和其他輔助裝置組成。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖與液壓系統(tǒng)原理圖如圖1和圖2所示。

圖1 輪對(duì)組裝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

輪對(duì)組裝機(jī)要實(shí)現(xiàn)的功能是輪對(duì)左右裝配、退卸與反壓，執(zhí)行元件為左右兩個(gè)油缸，工作壓力為0～20 MPa。工作時(shí)，需兩個(gè)油缸同時(shí)工作將輪對(duì)夾持住。有輪對(duì)夾持時(shí)，需實(shí)現(xiàn)左右油缸聯(lián)動(dòng)，無(wú)輪對(duì)夾持時(shí)，需實(shí)現(xiàn)左右油缸各自前進(jìn)后退動(dòng)作。泵1-1為齒輪泵，為液壓系統(tǒng)提供高壓油，泵1-2為葉片大流量泵，工作時(shí)能加快油缸運(yùn)行速度。

輪對(duì)組裝完成后，需要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行反壓試驗(yàn)，以檢測(cè)輪對(duì)壓裝質(zhì)量是否合格。輪對(duì)反壓過(guò)程為：先用左右油缸活塞桿將輪對(duì)夾持住，然后伸出圖1中插板擋塊6，左(右)油缸工進(jìn)使輪對(duì)聯(lián)動(dòng)且使輪餅與插板接觸。其中油缸只能水平左右移動(dòng)，插板擋塊固定在龍門(mén)架上，只能前后移動(dòng)。接下來(lái)由于輪對(duì)無(wú)法向前移動(dòng)導(dǎo)致油缸壓力升高，通過(guò)活塞使輪餅與插板承受擠壓力。當(dāng)油缸壓力升高至對(duì)應(yīng)的輪對(duì)反壓力，通過(guò)關(guān)閉圖2中電磁閥7(8)，切斷油缸供油使油缸憋壓，進(jìn)一步使輪餅承受一定時(shí)長(zhǎng)的反壓力。

1.2 輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏故障機(jī)理分析

由于輪對(duì)組裝機(jī)長(zhǎng)期工作在高壓惡劣條件下，現(xiàn)場(chǎng)使用情況表明液壓系統(tǒng)故障率不斷增加，典型的故障現(xiàn)象是油缸壓力波動(dòng)、出力不足、保壓性能差、油溫升高、控制靈敏度降低。筆者主要針對(duì)該液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏做深入分析，研究?jī)?nèi)泄漏與故障現(xiàn)象之間的關(guān)系。

液壓缸、液控單向閥、換向閥和溢流閥等液壓元件內(nèi)部都具有相對(duì)移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副之間必定存在間隙。常見(jiàn)的內(nèi)泄漏故障機(jī)理為：油污雜質(zhì)進(jìn)入液壓缸與活塞、液壓閥閥芯與閥體間隙，這加快了密封圈磨損，缸體與閥座損傷，最終使間隙增大，超過(guò)規(guī)定范圍，引起較為明顯的液壓泄漏故障。輪對(duì)組裝機(jī)在反壓試驗(yàn)工況下，與內(nèi)泄漏故障直接相關(guān)聯(lián)的液壓元件是工作油缸與液控單向閥，基于此研究液壓缸與液控單向閥的內(nèi)泄漏和故障之間的關(guān)系。

常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)副間隙有4種形式，其泄漏流量分析計(jì)算如下：

(1)平行平板間隙。平面間隙通道狹小，液體流速低，液流狀態(tài)為層流。平行平板間隙泄漏流量為：

(1)

式中：q為間隙泄漏流量；b為間隙寬度；h為間隙高度；Δp為間隙兩端壓差；μ為液壓油動(dòng)力粘度；l為間隙長(zhǎng)度；u0為平行平板相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。式中正負(fù)號(hào)與u0方向及壓差流動(dòng)方向相關(guān)。

(2)同心環(huán)形間隙。當(dāng)環(huán)形間隙較小時(shí)，間隙泄漏量為：

(2)

當(dāng)環(huán)形間隙較大時(shí)，泄漏量為：

Δp

(3)

式中：d為同心環(huán)形內(nèi)圓直徑，r2與r1分別為外圓與內(nèi)圓半徑，間隙高度h為內(nèi)外圓半徑之差。

(3)偏心環(huán)形間隙。偏心環(huán)形間隙泄漏量為：

(4)

式中：ε為相對(duì)偏心率；h0為內(nèi)外圓同心時(shí)半徑方向間隙值。

(4)圓環(huán)平面間隙。圓環(huán)平面間隙泄漏量為：

Δp

(5)

式中：h為圓環(huán)與平面之間的間隙值；r2與r1為圓環(huán)大小半徑。

由式(1)～式(5)可知，液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏量與間隙寬度b、間隙直徑d、間隙高度h、間隙兩端壓差Δp、流體動(dòng)力粘度μ等有關(guān)。且都與h3和Δp成正比，與μ成反比。液壓缸為同心環(huán)或偏心環(huán)泄漏形式，液控單向閥是錐閥閥芯，為圓環(huán)平面間隙泄漏形式。輪對(duì)反壓試驗(yàn)工況時(shí)間隙兩端壓差變化不大，故分析油缸、單向閥泄漏間隙以及油液粘度與泄漏故障之間的關(guān)系。

2 液壓系統(tǒng)仿真模型建立與驗(yàn)證

2.1 仿真模型建立

利用AMESim軟件的HCD設(shè)計(jì)庫(kù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際元件尺寸與參數(shù)建立了液壓缸與液控單向閥泄漏故障模型，如圖3和圖4所示。通過(guò)在模型中加入泄漏模塊，模擬泄漏故障。并根據(jù)輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖2在AMESim的Sketch模式下建立如圖5所示的仿真模型。改變液壓缸與單向閥縫隙高度、流體粘度進(jìn)行多次仿真來(lái)得到相應(yīng)的壓力與泄漏量曲線，進(jìn)一步對(duì)各影響因素進(jìn)行分析。

圖3 液壓缸泄漏故障模型

圖4 液控單向閥泄漏故障模型

圖5 輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型

仿真模型建立完成后，給各液壓元件選擇優(yōu)先子模型。在Parameter Mode模式下，根據(jù)輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)設(shè)定各液壓元件參數(shù)值，主要參數(shù)如表1所示，其余參數(shù)值為默認(rèn)值。

表1 液壓元件主要參數(shù)

2.2 仿真模型驗(yàn)證

輪對(duì)組裝機(jī)油缸為單桿雙作用活塞式液壓缸，它有兩種速度特性，液壓缸活塞兩側(cè)分別輸入相同壓力與流量，活塞桿輸出速度大小不相同。

(1)當(dāng)油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，有桿腔回油時(shí)的速度為：

(6)

(2)當(dāng)油缸有桿腔進(jìn)油，無(wú)桿腔回油時(shí)的速度為：

(7)

式中：q為輸入流量；D為活塞面積；d為活塞桿面積。

設(shè)置好各元件參數(shù)，仿真時(shí)間為3 s，動(dòng)態(tài)仿真模式，仿真計(jì)算步長(zhǎng)為0.1 s。仿真模擬左油缸有輪對(duì)工進(jìn)時(shí)，使泵1-1供油，泵1-2不工作，電磁換向閥7與電磁換向閥10得電，液壓油從泵1-1經(jīng)換向閥7，液控單向閥11進(jìn)入左油缸無(wú)桿腔，油液從右油缸無(wú)桿腔出油，左右油缸活塞桿同步移動(dòng)。模擬左油缸有輪對(duì)快進(jìn)時(shí)，泵1-1、泵1-2同時(shí)工作，換向閥6、7、10得電，左油缸無(wú)桿腔入口流量增加，使活塞桿速度加快。

仿真3 s后，得到油缸流量與速度數(shù)據(jù)。有輪對(duì)工進(jìn)時(shí)左油缸無(wú)桿腔入口流量q1與有桿腔出口流量q2分別為：q1=11.496 1 L/min，q2= 7.949 2 L/min。

由式(6)和式(7)計(jì)算得到的速度分別為1.882 4 mm/s和1.882 7 mm/s。仿真得到的工進(jìn)活塞桿運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖6(a)所示，由于工進(jìn)時(shí)系統(tǒng)提供高壓小流量的液壓油，油缸容腔較大，高壓油進(jìn)入無(wú)桿腔瞬間會(huì)壓縮油液體積，油液具有一定剛度，使活塞初始速度出現(xiàn)波動(dòng)，2 s后穩(wěn)定為1.882 28 mm/s。有輪對(duì)快進(jìn)時(shí)左油缸無(wú)桿腔入口流量q3與有桿腔出口流量q4分別為：q3=128.496 0 L/min，q4=89.302 1 L/min。

李敬益看重這種新增的溝通方式，“我們接到廣大群眾的訴求后一般都會(huì)在1到3個(gè)工作日辦結(jié)。流程清晰、權(quán)責(zé)分明、更便于跟進(jìn)。”自從這兩張小卡片落地，彩云社區(qū)的矛盾糾紛調(diào)解數(shù)量從年均100多件慢慢減少到了30多件。2018年，彩云社區(qū)被文山州委、州政府評(píng)為民族團(tuán)結(jié)進(jìn)步示范社區(qū)，表彰其對(duì)加強(qiáng)城市社區(qū)民族團(tuán)結(jié)、提高城市社區(qū)人口整體素質(zhì)、提升城市發(fā)展水平所作出的努力。如今，李敬益“三板斧”的使用機(jī)會(huì)少了許多，他卻發(fā)自?xún)?nèi)心地高興，“用得少，這才好呢！”

同理計(jì)算得到快進(jìn)活塞桿速度分別為21.04 mm/s和21.15 mm/s，仿真得到的快進(jìn)活塞桿運(yùn)動(dòng)速度曲線如圖6(b)所示，快進(jìn)時(shí)系統(tǒng)提供低壓大流量的液壓油，初始速度波動(dòng)較小，速度穩(wěn)定后為21.174 1 mm/s。理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果幾乎一致。

圖6 油缸仿真運(yùn)行速度曲線圖

采集現(xiàn)場(chǎng)正常設(shè)備油缸不同時(shí)段的實(shí)測(cè)速度，分別執(zhí)行油缸工進(jìn)與快進(jìn)動(dòng)作，待工控機(jī)界面顯示速度穩(wěn)定后讀取油缸速度，記錄如表2所示。仿真得到的油缸速度與實(shí)際工況速度十分接近，誤差很小，考慮到實(shí)際液壓回路中存在泄漏與阻力情況，誤差在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，由于左右油缸同步雙端夾持，左右兩有桿腔直接相連，且與回油箱連接，而在左右油缸聯(lián)動(dòng)過(guò)程中，工進(jìn)與快進(jìn)仿真的回油路流量分別為7.125×10-6L/min、9.025×10-6L/min，幾乎可以忽略不計(jì)，與實(shí)際情況完全吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了該仿真模型的正確性。

表2 現(xiàn)場(chǎng)油缸速度實(shí)測(cè)值表

3 內(nèi)泄漏仿真分析

現(xiàn)場(chǎng)輪對(duì)組裝機(jī)在做反壓試驗(yàn)保壓過(guò)程中，常出現(xiàn)壓力波動(dòng)、壓力下降或超出相應(yīng)規(guī)定，達(dá)不到用戶(hù)的要求。通過(guò)設(shè)置仿真模型參數(shù)，模擬反壓過(guò)程?，F(xiàn)場(chǎng)某輪型反壓壓力為16 MPa，最低反壓力不能低于15.72 MPa。設(shè)置其反壓壓力為16 MPa，仿真時(shí)間為16 s，計(jì)算步長(zhǎng)0.01 s。左輪反壓過(guò)程為：使泵1-1工作，電磁換向閥7、10得電使輪對(duì)工進(jìn)與插板擋塊接觸，當(dāng)壓力上升至目標(biāo)值時(shí)，關(guān)閉換向閥7，進(jìn)入油缸保壓狀態(tài)，反壓完成后再卸壓。通過(guò)分析反壓曲線與泄漏量曲線得到各因素影響情況。

3.1 液壓缸泄漏間隙高度對(duì)內(nèi)泄漏的影響

只改變液壓缸泄漏模塊縫隙高度，其他參數(shù)保持不變。運(yùn)用批處理功能，設(shè)置縫隙高為0.01 mm、0.03 mm、0.05 mm、0.07 mm和0.10 mm，通過(guò)仿真運(yùn)算得到反壓曲線與泄漏量曲線，如圖7和圖8所示。

圖7 液壓缸不同間隙的反壓曲線

圖8 液壓缸不同間隙的泄漏量曲線

通過(guò)分析圖7和圖8仿真曲線可得：當(dāng)液壓缸泄漏間隙為0.01 mm，系統(tǒng)幾乎無(wú)泄漏，反壓曲線也是正常的合格曲線。隨著泄漏間隙增大，泄漏量急劇增大，液壓缸壓力也快速下降。當(dāng)泄漏間隙為0.03 mm時(shí)，反壓力下降了2.4 MPa，達(dá)不到反壓要求；當(dāng)泄漏間隙為0.1 mm時(shí)，泄漏量達(dá)到了1.05 L/min，液壓缸完全失去保壓功能。可見(jiàn)液壓缸泄漏間隙對(duì)液壓系統(tǒng)性能影響很大，可直接導(dǎo)致輪對(duì)組裝機(jī)反壓試驗(yàn)失敗。

3.2 液控單向閥縫隙高對(duì)內(nèi)泄漏的影響

輪對(duì)組裝機(jī)在壓裝與反壓過(guò)程中，液控單向閥在高壓情況下頻繁開(kāi)啟，對(duì)閥芯、閥體與密封圈造成沖擊與損傷。隨著油品劣化，雜質(zhì)增加，進(jìn)一步降低了其密封性能。單向閥關(guān)閉時(shí)，單向閥的錐閥芯不能將液壓油封閉而產(chǎn)生泄漏，有部分油液從高壓油口向低壓油口流出。通過(guò)改變液控單向閥泄漏間隙值，模擬其泄漏故障，其他元件參數(shù)保持不變。分別設(shè)置間隙為0.01 mm、0.02 mm、0.03 mm、0.04 mm和0.05 mm。仿真分析得到泄漏間隙對(duì)泄漏量與反壓曲線影響，如圖9和圖10所示。

圖9 液控單向閥不同泄漏間隙的反壓曲線

圖10 液控單向閥不同泄漏間隙的泄漏量曲線

3.3 液壓油動(dòng)力粘度對(duì)內(nèi)泄漏的影響

正確地選用粘度適宜的液壓油能提高設(shè)備的機(jī)械效率。液壓油的粘度過(guò)高會(huì)增加液壓元件運(yùn)動(dòng)阻力和元件發(fā)熱，使油缸動(dòng)作滯后，系統(tǒng)內(nèi)壓力損失增大；如果粘度過(guò)低，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)泄漏量增大，保壓性能劣化。分別設(shè)置動(dòng)力粘度為0.02 Pa·s、0.04 Pa·s、0.06 Pa·s、0.08 Pa·s和0.10 Pa·s。分別仿真求取液壓缸縫隙高與液控單向閥間隙為0.03 mm的泄漏量曲線，分別如圖11和圖12所示。

圖11 不同動(dòng)力粘度下液壓缸泄漏曲線

圖12 不同動(dòng)力粘度下單向閥泄漏曲線

從圖11、圖12泄漏曲線可知：隨著液壓油動(dòng)力粘度增大，液壓缸與液控單向閥泄漏量均在減??；當(dāng)動(dòng)力粘度超過(guò)0.06 Pa·s，液壓缸泄漏量下降并不明顯；且動(dòng)力黏度對(duì)液壓缸泄漏的影響較前兩種因素小，液壓缸泄漏量最高為0.092 L/min，液控單向閥泄漏量最大為0.0125 L/min；由于液壓油粘度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)流動(dòng)阻力變大、發(fā)熱、機(jī)械效率下降，因此綜合考慮可選取動(dòng)力粘度為0.06 Pa·s的液壓油。

4 結(jié)論

利用仿真軟件AMESim對(duì)輪對(duì)組裝機(jī)液壓系統(tǒng)建立仿真模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該模型的正確性。故障仿真結(jié)果可為該液壓系統(tǒng)后期維護(hù)、故障診斷與設(shè)備改進(jìn)提供指導(dǎo)。通過(guò)模擬輪對(duì)反壓試驗(yàn)液壓系統(tǒng)工作過(guò)程，并植入泄漏故障，仿真得出的具體內(nèi)泄漏情況如下：

(1)隨著液壓缸泄漏間隙增大，其內(nèi)泄漏量急劇增大。反壓曲線壓力大幅度下降，反壓曲線不合格?？梢?jiàn)液壓缸內(nèi)泄漏影響重大?？赏ㄟ^(guò)提高液壓缸裝配精度與改善液壓系統(tǒng)工作環(huán)境，定期對(duì)液壓油質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，處理掉鐵屑、硬物等雜質(zhì)，減小液壓缸泄漏故障；

(2)液控單向閥間隙過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致內(nèi)泄漏量增加，使液壓回路失去保壓功能。同時(shí)，單向閥內(nèi)泄漏會(huì)導(dǎo)致在輪對(duì)組裝機(jī)工進(jìn)階段產(chǎn)生液壓沖擊，沖擊幅度隨著間隙增大而增大。通過(guò)定期拆裝液控單向閥并清洗或更換，減小單向閥泄漏量；

(3)液壓油動(dòng)力粘度也與液壓回路內(nèi)泄漏相關(guān)，但是，相較液壓缸泄漏間隙與單向閥泄漏間隙影響則較小。在適當(dāng)?shù)脑试S范圍內(nèi)，可以選取液壓油動(dòng)力粘度稍高的液壓油來(lái)減小液壓系統(tǒng)內(nèi)泄漏量。

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