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        工程機械液壓缸內(nèi)泄漏故障檢測分析

        2021-11-26 01:36:40
        設備管理與維修 2021年20期
        關鍵詞:故障

        黃 克

        (德州職業(yè)技術學院,山東德州 253034)

        0 引言

        液壓缸是大型機組設備中不可或缺的重要液壓執(zhí)行元件,主要用于將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能,并做直線往復或擺動運動[1]。液壓缸結(jié)構簡單、工作可靠,用于實現(xiàn)往復運動時無需裝設減速裝置,且沒有傳動間隙,運動平穩(wěn),因此在各類機組設備的液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應用。但在實際運行期間,液壓缸經(jīng)常出現(xiàn)泄漏故障。為及時檢測出故障的類型,需探索行之有效的解決方式。

        1 液壓缸泄漏原因分析

        (1)密封件結(jié)構形式與材料因素。如果用于密封的材料質(zhì)地硬度不足,則在液壓缸處于工作狀態(tài)時,密封件十分容易“擠進”密封間隙。在此過程中,液壓缸會出現(xiàn)損傷,逐漸導致液壓油滲漏[2]。

        (2)密封槽與密封接觸表面的質(zhì)量較差。一般情況下,液壓缸密封件安裝在尺寸精度相對較低、表面粗糙程度以及形位公差均較低的密封槽內(nèi),密封件會受到磨損,進而泄漏液壓油。

        (3)通常而言,對液壓缸密封件的要求為:①尺寸精度必須較高;②形狀位置精度必須準確。若上述兩項精度要求不達標,則密封件在裝配過程中會受到磨損,進而導致內(nèi)泄漏。

        (4)大型機組設備運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生熱量,導致工作環(huán)境長時間處于高溫狀態(tài),若不能及時降溫,則密封件的老化速度將會加快。若缺乏有效的檢修維護制度,無法及時發(fā)現(xiàn)密封件的老化情況,則密封效果會逐漸降低,最終導致泄漏。

        (5)某些液壓缸裝有緩沖閥,在設備運轉(zhuǎn)期間,閥芯與閥座極易出現(xiàn)磨損情況,同樣會導致液壓缸內(nèi)泄漏。

        2 液壓缸內(nèi)泄漏故障的檢測方式

        2.1 數(shù)學建模要素分析

        在實際工作中,常用的檢測工程機械液壓缸內(nèi)泄漏故障的方法主要為經(jīng)驗診斷法,即觀察液壓系統(tǒng)的工作壓力,若相關參數(shù)并未達到標準值,且在調(diào)節(jié)安全閥的過程中,壓力參數(shù)并未出現(xiàn)明顯變化時,便可懷疑液壓缸內(nèi)有可能出現(xiàn)內(nèi)泄漏故障。但此種方式的直觀性較低,當技術人員經(jīng)驗不足時,很可能無法及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)泄漏故障,液壓缸及鄰近機組設備均可能受到影響。本研究設計一種基于數(shù)學建模方式的液壓缸內(nèi)泄漏故障的檢測方法,主要原理如下:

        (1)所選取的液壓缸系統(tǒng)為負載傳感液壓系統(tǒng),是非對稱性液壓缸。建立數(shù)學模型時,必須具備的參數(shù)主要來源于兩個方面:一是液壓缸本身的結(jié)構組成;二是液壓缸運行期間產(chǎn)生的參數(shù)。具體而言:①液壓缸(泵)出口處的壓力,以p′表示;②液壓泵單位時間的流量,以Q′表示;③液壓缸進油管道的上液阻力,以R1表示;④液壓缸進油管道的流量,以Q11表示;⑤液壓缸回油管道的上液阻力,以R2表示;液壓缸回流管道的流量,以Q21表示;⑥液壓缸內(nèi)泄漏的液體阻礙壓力,以R 表示;液壓缸內(nèi)泄漏的流量,以Q 表示;⑦流進、流出液壓缸的流量,分別以Q12、Q22表示;⑧液壓缸進油腔的壓力以及出油腔的壓力,分別以p1和p2表示;⑨在沒有發(fā)生內(nèi)泄漏事故時,對稱液壓缸輸出動力以及出現(xiàn)內(nèi)泄漏故障時對稱液壓缸的輸出動力分別以F1和F2表示;⑩液壓缸活塞的運動速度,以v 表示。

        (2)上述基礎參數(shù)僅僅是構建數(shù)學模型的基礎參數(shù)。除此之外,液壓泵運行期間重要參數(shù)之間的關系滿足公式(1):

        式中,Δpλ 是液壓系統(tǒng)運行期間必然產(chǎn)生的“沿程壓力損失”;λ 是沿程阻力系數(shù);l 是管道長度;d 是管道直徑;ρ 是液壓油本身的參數(shù)——密度;v 是液壓油的流動速度。q=π/4·d2v 是流量公式,將該公式帶入式(1),得到:

        變換后,其中一個變量——液壓油的流動速度v 消失。在剩余的參數(shù)中,沿程阻力系數(shù)λ、管道長度l、管道直徑d、液壓油密度均是固定值且均為常數(shù)。以此為基礎,可定義一個參數(shù)R(液壓缸內(nèi)泄漏的液體阻礙壓力)。具體的關系為:

        根據(jù)式(3)的構成參數(shù)可知,液阻R 的參數(shù)是一個固定值(除λ 等參數(shù)之外,π 是定值,故R 值也必然固定)。至此完成檢查機械液壓缸內(nèi)滲漏故障的數(shù)學模型,以液阻R 替代繁瑣的參數(shù)表示項之后可以發(fā)現(xiàn),液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失Δpλ=Rq2。式中唯一的變量即為q,而q 實際上即為液壓油的流量,在條件滿足時可與Q′等參數(shù)互相轉(zhuǎn)換(q 可視為Q′等參數(shù)的“替代表示值”)。為進一步增強理論計算過程中的便利性,可將液壓缸內(nèi)泄漏過程中的液阻R、R1、R2分別與其產(chǎn)生的油液壓力損失(RQ2、R1Q2、R2Q2)相互對應,可使后續(xù)計算過程及結(jié)果顯示的直觀程度大幅度提升。

        2.2 液壓缸的動力特性分析(基于模型闡述)

        在液壓缸并沒有出現(xiàn)泄漏事故的情況下,數(shù)學模型如圖1所示?;诹黧w動力學原理,列出圖中相關參數(shù)之間的關系:①F2=p1A1-p2A2;②p1=p′-R1Q112;③p2=R2Q212;④v=Q11/A=Q21/A。這4個等式構成模型方程組,經(jīng)過帶入、消除其中某些參數(shù)之后可得出變換后的無泄漏故障時的液壓缸模型動力方程:

        圖1 無泄漏事故時的液壓缸模型

        在液壓缸出現(xiàn)泄漏事故之后,數(shù)學模型如圖(2)所示。對應的方程組:①F2=p1A1-p2A2;②p1=p′-R1Q112;③p2=R2Q212;④Q11=Q12+Q;⑤Q21=Q22+Q;⑥v=Q11/A=Q21/A。經(jīng)過變換后得出的各參數(shù)之間的關系為:

        分析式(4)、式(5)可知,無論液壓缸是否出現(xiàn)內(nèi)泄漏事故,F(xiàn) 與v 之間的關系仍然為二次函數(shù)表達式(參數(shù)A 雖然為三次方形式,但并非主要參數(shù),只考慮F 與v 即可)。對式(4)、式(5)進行深入分析后發(fā)現(xiàn),機械液壓缸中是否存在輸出動力并不取決于p1是否>p2。在此基礎上,根據(jù)數(shù)學模型中的某些參數(shù)之間的相互關系,即可判斷液壓缸的泄漏情況。具體而言:第一,若p1>p2,則Q>0,此時,液壓缸必定存在泄漏情況,泄漏方向與圖2所示方向一致;第二,若p1=p2,則Q=0,表明液壓缸處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài),不存在內(nèi)部泄漏情況;第三,若p1<p2,則Q<0,此時液壓缸的流量方向與內(nèi)泄漏方向(即圖2 顯示方向)相反。

        圖2 出現(xiàn)泄漏事故時的液壓缸模型

        將式(4)、式(5)整理后得出:

        由上文所述可知,F(xiàn) 與v 之間的關系呈二次函數(shù)剖物線形態(tài),且在液壓缸內(nèi)沒有出現(xiàn)泄漏情況時,F(xiàn)2-V 與兩條剖物線必定會在直角坐標系中的一個點位相交。將有關項合并之后,可得出:

        2.3 液壓缸內(nèi)泄漏事故發(fā)生時的常見特性分析

        再次對式(4)、式(5)進行分析后可以發(fā)現(xiàn),當Q<0 時,的絕對值必定會小于dF2/dv 的絕對值,且的曲線與的曲線在C 點相交。根據(jù)模型所示結(jié)果,當液壓缸承受較大負載時(通常運行速度會有所降低),如果出現(xiàn)內(nèi)泄漏事故,則液壓缸的運行速度必定也隨之降低(即同等負載下,無泄漏狀態(tài)下的液壓缸運行速度超過有泄漏事故時的運行速度)。

        2.4 數(shù)學建模檢測法的液壓缸內(nèi)泄漏故障檢測實踐分析

        (1)首先正常啟動液壓缸,并將液壓油加入油腔內(nèi)。在此狀態(tài)下,進油腔的壓力逐漸升高,并能夠與執(zhí)行元件的負載保持平衡。受“油液具備可壓縮性”這一特點的影響,進油腔產(chǎn)生的壓力不會立刻達到與負載相同的水平,而是呈現(xiàn)出“漸變”的特性。實際結(jié)果顯示,該過程的壓力上升具有跳躍性。

        (2)繼續(xù)控制油液進入油腔,且需保證活塞可以平穩(wěn)伸出,一直持續(xù)到活塞伸出到最大位置處(也可在執(zhí)行元件的負載進入“無限大”時停止)。

        按照上述流程,模擬液壓缸未出現(xiàn)內(nèi)泄漏、出現(xiàn)輕微內(nèi)泄漏、嚴重內(nèi)泄漏的情況,最終結(jié)果顯示,基于數(shù)學模型的壓力曲線變化情況存在差異。

        3 結(jié)語

        綜上所述,本文基于數(shù)學建模法,將液壓缸運行期間的各項參數(shù)設置為運行構成主參數(shù),經(jīng)過消除部分變量的轉(zhuǎn)換之后,得出F 與v 之間存在二次函數(shù)關系。以此為基礎,得出“同等負載下,無泄漏狀態(tài)下的液壓缸運行速度超過有泄漏事故時的運行速度”[3]的結(jié)論,試驗結(jié)果表明該結(jié)論是正確的,表明基于數(shù)學建模的檢驗方法具備可行性。

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