德国HAWE液压换向阀卡紧故障分析

德国HAWE液压换向阀卡紧故障分析
摘 要:HAWE液压换向阀卡紧是液压系统常见的问题,严重时甚至会可导致事故。本文立足于HAWE换向阀阀芯结构的力学分析,研究了HAWE换向阀阀芯的卡紧力,通过对HAWE换向阀产生卡紧故障原因进行探讨,提出了避免HAWE换向阀卡紧的对策和措施。
液压HAWE换向阀是借助于阀芯与阀体之间的相对运动,使与阀体相连的各油路实现接通、切断,或改变液流方向的阀类。目前,液压系统中广泛使用的各种液压HAWE换向阀中,均存在着卡紧现象。HAWE换向阀卡紧基本上可分为两种类型:一种是机械卡紧,另一种为液压卡紧。机械卡紧是由于阀芯与阀套间的配合是间隙配合,而液压油中的脏物会楔入此间隙,从而造成阀卡现象。液压卡紧则是由于液体流过此间隙时,由于作用在阀芯四周径向间隙中的压力不均衡,就可能把阀芯压向压力较低的一侧,严重时可使阀芯紧贴阀套以至于卡住,形成阀卡。HAWE换向阀轻度卡紧,会使阀芯运动时的摩擦阻力增加,造成动作迟缓,甚至动作错乱的现象;而严重的液压卡紧,使阀芯*卡住,不能运动,具体可表现为HAWE换向阀不能换向,手柄的操作力增大等现象。
1 HAWE换向阀阀芯结构的力学分析
HAWE换向阀阀芯在液压系统正常运行中同时受到外加驱动力、液动力、惯性力和摩擦力的作用,而与液压卡紧有直接关系的是摩擦力,摩擦力的大小又取决于阀芯和阀孔的相对位置。
当阀芯在液压油膜的作用下,悬浮在阀孔内,此时产生的摩擦力只是液体的黏性摩擦,阀芯运行克服的只是液体介质的剪切力,这个力相对很小。而当阀芯外表面与阀孔的内表面直接接触时,这时会产生边界摩擦或固体摩擦,摩擦力就会很大。
通常HAWE换向阀的阀芯都采用圆柱滑阀结构,如果阀芯与阀孔都具有理想圆柱面,其中心线相互平行,沿缝隙圆周的任何部位压力均为相同的直线分布规律,压力沿圆周是均布的、平衡的,阀是被液体悬浮的,是不产生卡紧现象的。但在实际加工中,阀芯会存在一定的锥度,且出现偏心时,由于压力在圆周上分布不平衡而产生一个侧向力p,其与阀芯和阀套间摩擦系数相乘就得到液压卡紧力f。
卡紧力的大小可用一个综合量来表达,表达式如下:式中δ1为大端半径间隙,δ2为小端半径间隙, t为锥度(t=δ2-δ1),其他参数如图1所示。
由此可以得出,当t/δ1=0·9时,卡紧力达到zui大值。
2 HAWE换向阀卡紧故障成因分析
2·1 液压卡紧
(1)阀芯因加工误差而带有倒锥(锥体大端朝向高压腔),在阀芯与阀孔中心线平行且不重合时,阀芯受到径向不平衡力的作用。使阀芯和阀孔的偏心矩越来越大,直到两者表面接触而发生卡紧现象。
阀芯上产生径向不平衡液压力的各种情形,如图所示。为阀芯与阀孔无几何形状误差,轴心线平行但不重合的情况。这种情况下阀芯周围间隙内压力分布是线性的，且各方向相等,因此阀芯上不会产生径向不平衡力。图2b图为阀芯因加工误差而带有倒锥(锥部大端朝向高压腔),阀芯与阀孔轴线平行但不重合,即有偏心。阀芯受到径向不平衡力的作用,使偏心距越来越大,直到阀芯与阀孔接触为止,这时径向不平衡力达到zui大值,甚至产生了干摩擦。图2c图为阀芯带有顺锥,阀芯与阀孔轴线平行,并有偏心。虽然阀芯受到不平衡力的作用,但这种力使阀芯与阀空间的偏心距减小,使径向不平衡力减到zui小值,即可以使阀芯自动定心。
(2)阀芯无几何形状误差,但阀芯在孔中偏斜放置,产生很大的径向不平衡力及转矩,如图3a所示。这主要由装配误差或者颗粒状污染物凝聚楔入阀孔与阀芯的间隙所致。
(3)阀芯有局部凸起及残留毛刺,主要由加工或工序间转移过程中将阀芯碰伤所致,如图3b所示。凸起部分背后的液压流将造成较大的压降,产生一个使凸起部分压向阀孔的力矩。
(4)设计时为防止径向不平衡力的产生,通常会在阀芯上开若干个环形槽,以均衡阀芯受到的径向压力,一般称为平衡槽。但在加工中有时环形槽与阀芯不同心。或由于淬火变形,造成磨削后环形槽深浅不一,这样亦会产生径向不平衡力导致液压卡紧。
(5)系统工作压力偏高,使磨损加剧,使阀芯、阀体产生形状误差,阀的泄漏增大,引起油液和阀的温升偏高。阀芯处于高温的油液中,温升速度远大于阀体(阀块),使得配合间隙减少发生卡紧。系统工作流量偏大,阀从通到断、从断到通或换向时,由于液动力对阀芯有很大的冲击,使阀芯偏离中心位置,产生液压卡紧。
2·2 机械卡紧
(1)液压油中的砂粒、铁屑、漆皮等污染物楔入阀芯与阀孔间隙使之卡紧。油液中杂质颗粒有效直径大于10μm会对摩擦副产生磨损,而大于15μm的杂质颗粒会直接导致卡死。即便是液压油液相对纯净,长时间的运行,也会使摩擦副零件出现不同心的现象,形成圆锥环形间隙,引起卡紧现象。
(2)HAWE换向阀的阀芯、阀孔都较长,因而存在着直线度误差。同时由于残余应力的存在,有时会使阀芯在使用中产生弯曲,严重时阀芯与阀孔间会产生较大的接触压力,阀芯运动时产生摩擦,造成阀芯运动阻滞,产生机械卡紧。
(3)对于组合式多路HAWE换向阀,由于其结合面的平面度误差也容易造成阀孔变形而导致卡紧。
(4)在组合式或是整体式多路中的HAWE换向阀都设计有上、下盖或是定位套等定位件,这些组成件的偏心也容易引起阀芯的偏置,因而导致运动阻滞,造成卡紧。
(5)将阀安装到主机上时对连接的螺栓的扭矩不对,造成阀孔变形,安装螺栓太紧,也会引起卡紧。
3 HAWE换向阀卡紧故障的规避措施
3·1 提高加工精度和装配质量
(1)严格控制阀芯、阀孔的制造精度。阀芯和阀孔的圆柱度允差为0·8~1·5μm,阀芯表面粗糙度值为ra0·2,阀孔为ra0·4,两者配合间隙为5~7μm。提高阀体的铸造质量,减少阀芯的热处理残余应力,防止弯曲变形。
(2)对于组合式HAWE换向阀,为了消除阀片间结合面平面度对卡紧的影响,可使其中一个面的中间部分低1~2μm,这既可减少阀孔的变形,又不致影响结合面的密封。
(3)精加工后仔细清除芯上各台肩及阀孔沉割槽边上的毛刺。清除热处理件的氧化皮,在转序时利用工位器具防止零件磕碰。
(4)装配过程中各螺栓的预紧力要适当,以防阀孔变形。
3·2 改进阀芯结构
(1)在阀芯的适当位置,尽可能靠近高压区上开设均压槽,一般槽宽0·2 ~0·lk5mm,深约0·5 ~0·8mm,槽的间距为1~5 mm左右,且环形槽要与外圆保证同心。
(2)阀芯的精度允许时,可以磨顺锥(即小端朝向高压区),也可以采用锥形台肩,台肩小端朝向高压区,有利于阀杆径向对中。
3·3 减少油液污染和降低温升
保证液压系统的清洁度,防止油液被污染。在阀的进口,应按相关准标或厂家要求选用适用的过滤器,保证油液的过滤精度不得低于0·03mm。由于油液和外界不能进行充分热交换,在温升较快的系统中,特别是闭式系统,必须装有的冷却器,对系统进行及时冷却,以防温度过高引发液压卡紧。
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