米雙山，付久長(zhǎng)，韓翠娥

(軍械工程學(xué)院四系，河北石家莊050003)

在裝備的維護(hù)和封存中，維護(hù)人員常需要將車(chē)輛頂起，使用傳統(tǒng)的手動(dòng)千斤頂進(jìn)行頂升，不僅無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)裝備快速維護(hù)的需要，而且會(huì)消耗維護(hù)人員的體力。液壓頂升裝置的出現(xiàn)替代了傳統(tǒng)的手動(dòng)頂升。該頂升裝置不僅降低了維修保障人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了工作效率。由于液壓頂升裝置主要用于大型設(shè)備的頂升，所以頂升過(guò)程中的穩(wěn)定性就顯得至關(guān)重要。液壓頂升裝置是否穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到維修保障能否順利開(kāi)展，關(guān)系到裝備和維修人員的安全。

作者對(duì)某型液壓頂升裝置在出廠調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的故障進(jìn)了理論分析及仿真驗(yàn)證，并提出了故障解決方案，最終取得了良好的效果。

1 液壓頂升裝置的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

液壓頂升裝置實(shí)物如圖1所示，主要包括油箱、動(dòng)力組、疊加閥組、油管、兩個(gè)三級(jí)液壓缸、承載裝置小推車(chē)，其中，動(dòng)力組包括電機(jī)、齒輪泵和手動(dòng)泵。

圖1 液壓頂升裝置實(shí)物

液壓頂升裝置液壓原理圖如圖2所示。當(dāng)需要頂起裝備時(shí)，向右扳動(dòng)三位四通換向閥，電機(jī)帶動(dòng)主泵通過(guò)濾油器從油箱中吸入液壓油，經(jīng)單向閥、三位四通手動(dòng)換向閥的左位、液控單向閥、左側(cè)單向節(jié)流閥的單向閥后同時(shí)進(jìn)入兩個(gè)三級(jí)液壓缸的下腔，推動(dòng)活塞逐級(jí)向外伸出，進(jìn)而將裝備頂起。同時(shí)，三級(jí)液壓缸上腔油液經(jīng)過(guò)右側(cè)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥、手動(dòng)換向閥左位流回油箱，完成裝備的頂升過(guò)程。在電機(jī)損壞、主泵損壞或系統(tǒng)斷電的情況下，可由操作者操作手動(dòng)泵完成上述頂升操作。

圖2 液壓頂升裝置原理圖

當(dāng)需要裝備回位時(shí)，向左扳動(dòng)三位四通換向閥的操作手柄，主泵輸出的油液經(jīng)過(guò)單向閥、手動(dòng)換向閥的右位，一部分通過(guò)右側(cè)單向節(jié)流閥的單向閥進(jìn)入三級(jí)液壓缸的上腔，另一部分進(jìn)入液控單向閥的控制油口，使其閥芯開(kāi)啟?；钊趬毫τ秃脱b備自重的作用下逐級(jí)收回。同時(shí)，三級(jí)液壓缸下腔的油液經(jīng)過(guò)左側(cè)單向節(jié)流閥的節(jié)流閥、液控單向閥和手動(dòng)換向閥的右位流回油箱，完成裝備回位。調(diào)整左側(cè)單向節(jié)流閥的開(kāi)口大小即可調(diào)整裝備的下降速度，使得裝備能夠平穩(wěn)下降。

2 液壓頂升裝置故障分析及仿真驗(yàn)證

2.1 液壓頂升裝置故障現(xiàn)象

液壓頂升裝置的執(zhí)行元件為三級(jí)液壓缸。理論上，多級(jí)液壓缸在伸出時(shí)，應(yīng)該按照活塞的有效工作面積由大到小依次伸出(即按照一級(jí)缸、二級(jí)缸、三級(jí)缸的順序伸出)，收回時(shí)按照活塞有效工作面積由小到大依次收回。但該液壓頂升裝置在出廠調(diào)試時(shí)，三級(jí)液壓缸在伸出過(guò)程中會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)二級(jí)缸先于一級(jí)缸伸出的情況。在進(jìn)行頂升試驗(yàn)時(shí)，若二級(jí)缸先伸出，裝備在被逐漸頂起時(shí)會(huì)出現(xiàn)二級(jí)缸突然收回的現(xiàn)象，與此同時(shí)一級(jí)缸突然伸出，整個(gè)三級(jí)液壓缸總高度下降，裝備隨之下落。由于頂升裝置的負(fù)載多為重型裝備，頂升的無(wú)預(yù)兆突然下降不僅可能對(duì)裝備造成損傷，而且嚴(yán)重威脅到現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全。

2.2 頂升故障理論分析

下面對(duì)液壓頂升裝置的這一故障現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，以找出可能的故障原因。

首先對(duì)液壓頂升裝置進(jìn)行初步檢查。根據(jù)頂升裝置壓力表的顯示，頂升裝置供油壓力并不存在問(wèn)題，而且3 個(gè)液壓缸都能伸出和收回。由此初步判斷，頂升裝置的供油回路沒(méi)有問(wèn)題。故障應(yīng)該出在三級(jí)液壓缸上。通過(guò)檢查三級(jí)液壓缸發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)并不存在問(wèn)題，故排除結(jié)構(gòu)故障。下面對(duì)三級(jí)液壓缸在伸出過(guò)程中的受力進(jìn)行分析，以找出影響三級(jí)液壓缸伸出順序的因素。

當(dāng)三級(jí)液壓缸在正常狀態(tài)下順序伸出時(shí)，一級(jí)缸伸出并帶動(dòng)二、三級(jí)缸上升(一級(jí)缸行程內(nèi))，此時(shí)整體受力為:

(m1+ m2+ m3)g + FC01= pπ(D1/2)2×106

其中:FC01為外缸筒與一級(jí)缸密封摩擦力(N)，計(jì)算公式為:FC01= fΔpπ(D1b1k1+ D2b2k2)×106(標(biāo)準(zhǔn)公式，公式內(nèi)各值含義不再贅述);

Δp=p－p1，p1為出油口壓力，這里默認(rèn)為0，所以Δp=p;

m1、m2、m3為分別為一、二、三級(jí)油缸的質(zhì)量(kg);

p 為進(jìn)油口壓力(MPa);

D1、d1分別為一級(jí)缸的外徑和內(nèi)徑(m)。經(jīng)計(jì)算可以得出:在正常情況下，當(dāng)三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力達(dá)到0.032 MPa 時(shí)，三級(jí)液壓缸即可正常伸出。

故障情況下，一級(jí)缸未發(fā)生移動(dòng)，二級(jí)缸伸出并帶動(dòng)三級(jí)缸向上移動(dòng)，這里以二級(jí)缸和三級(jí)缸為整體進(jìn)行受力分析:

式中:FC12為一級(jí)缸與二級(jí)缸密封摩擦力(N);

D2為二級(jí)缸外徑(m)。

經(jīng)計(jì)算，在故障情況下，三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力為0.041 5 MPa。在此情況下，一級(jí)缸受力為:

將進(jìn)油口壓力p 代入上式對(duì)一級(jí)缸進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)，一級(jí)缸兩端受力已不再平衡，即:

理論情況下，一級(jí)缸應(yīng)該向上移動(dòng)，但故障的實(shí)際情況是一級(jí)缸并未發(fā)生移動(dòng)，即一級(jí)缸仍處于受力平衡狀態(tài)。所以只有FC12減小或FC01增大才能出現(xiàn)這種情況。這里進(jìn)行極限假設(shè)，將FC12的值減小到最小值0，發(fā)現(xiàn):

顯然，此情況下一級(jí)缸仍會(huì)向上運(yùn)動(dòng)。因此，只有當(dāng)FC01增大時(shí)，才能保持故障狀態(tài)即一級(jí)缸靜止不動(dòng)。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)的FC01為574 N。顯然，這已超過(guò)三級(jí)液壓缸密封環(huán)摩擦力的正常值。所以，故障很可能是由于三級(jí)液壓缸的一級(jí)缸與外缸筒之間的密封圈造成的。

2.3 頂升裝置故障仿真驗(yàn)證

通過(guò)理論分析，基本確定了頂升裝置的故障原因。為了對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步研究故障機(jī)制和故障發(fā)生過(guò)程，作者使用仿真軟件AMESim 建立了液壓頂升裝置的仿真模型(如圖3所示)，并進(jìn)行了仿真。

圖3 液壓頂升裝置仿真模型

圖4 顯示了無(wú)故障的頂升裝置三級(jí)液壓缸的位移曲線(xiàn)，可以看出:在正常情況下三級(jí)液壓缸各缸會(huì)逐級(jí)伸出，到達(dá)各自的伸出極限后，停止運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，三級(jí)液壓缸的下一級(jí)缸要比上一級(jí)缸的運(yùn)動(dòng)速度更快。

圖4 頂升裝置三級(jí)液壓缸位移曲線(xiàn)

經(jīng)理論分析，初步認(rèn)定頂升裝置的故障是因?yàn)橥飧淄才c一級(jí)缸之間密封圈摩擦力過(guò)大造成的。作者對(duì)頂升裝置進(jìn)行故障仿真，設(shè)定頂升裝置的外缸筒與一級(jí)缸之間的摩擦力分別為96.7，336，574，812 N。圖5 和圖6 分別為一級(jí)缸和二級(jí)缸在以上4 種摩擦力作用下的位移曲線(xiàn)，可以看出:當(dāng)摩擦力超過(guò)574 N時(shí)，一級(jí)缸前59 s 無(wú)動(dòng)作，二級(jí)缸先于一級(jí)缸伸出。由于二級(jí)缸油腔面積小，所以故障狀態(tài)下三級(jí)液壓缸初始伸出速度要快于正常狀態(tài)下的伸出速度;當(dāng)t =59.8 s 時(shí)，一級(jí)缸快速伸出，同時(shí)二級(jí)缸收回。仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象一致。從圖6 可以看出:三級(jí)液壓缸頂升高度下降了0.047 m，雖然下降不多，但由于重型裝備的慣性力，0.047 m 的突然下降足以對(duì)裝備造成嚴(yán)重影響。一、二級(jí)缸的仿真曲線(xiàn)對(duì)頂升裝置的故障進(jìn)行了再現(xiàn)，同時(shí)表明:一級(jí)缸與外缸筒密封圈摩擦力過(guò)大的確是造成頂升裝置故障的原因。

圖5 一級(jí)缸位移曲線(xiàn)

圖6 二級(jí)缸位移曲線(xiàn)

下面，通過(guò)對(duì)三級(jí)液壓缸負(fù)載壓力和進(jìn)油口壓力的仿真，進(jìn)一步研究故障發(fā)生的內(nèi)部機(jī)制。

由圖7 可以看出:當(dāng)二級(jí)缸開(kāi)始對(duì)裝備進(jìn)行頂升時(shí)，負(fù)載壓力逐漸上升。這也就造成了如圖8所示的三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力的上升。三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力的上升增大了一級(jí)缸的推力，一級(jí)缸在較大的推力作用下克服了靜摩擦力與自重迅速伸出。一級(jí)缸的快速伸出導(dǎo)致整個(gè)進(jìn)油口的壓力迅速下降，圖8 的仿真結(jié)果證明了這一分析。由圖8 可以看出:故障情況下，當(dāng)進(jìn)油口壓力到達(dá)峰值后，迅速下降。因此導(dǎo)致支承負(fù)載的二級(jí)缸在沒(méi)有足夠壓力支承的情況下，迅速被負(fù)載壓下。正是二級(jí)缸油腔內(nèi)液壓油被壓回并迅速補(bǔ)充到一級(jí)缸的油腔內(nèi)，才使一級(jí)缸在系統(tǒng)流量沒(méi)有發(fā)生改變的情況下具有如此快的伸出速度。三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力反映了故障發(fā)生瞬間進(jìn)油口復(fù)雜的壓力變化，解釋了液壓頂升裝置故障的發(fā)生機(jī)制和發(fā)生過(guò)程。

圖7 三級(jí)液壓缸負(fù)載壓力曲線(xiàn)

圖8 三級(jí)液壓缸進(jìn)油口壓力曲線(xiàn)

經(jīng)理論分析及仿真驗(yàn)證，確定一級(jí)缸與外缸筒摩擦力過(guò)大是造成故障的原因。通過(guò)返廠更換密封圈并嚴(yán)格把關(guān)三級(jí)液壓缸的裝配，液壓頂升裝置故障得到排除。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)液壓頂升裝置的理論分析及仿真驗(yàn)證，確定頂升裝置的故障原因?yàn)橥飧淄才c一級(jí)缸密封圈摩擦力過(guò)大，同時(shí)證明了理論分析與仿真驗(yàn)證相結(jié)合的液壓系統(tǒng)故障診斷方法的可行性。雖然在簡(jiǎn)單液壓系統(tǒng)中，這種方法的成本和時(shí)間優(yōu)勢(shì)并未能很好地體現(xiàn)，但是對(duì)于大型復(fù)雜液壓系統(tǒng)和拆卸困難易損的液壓設(shè)備，此方法卻具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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