呂 卓，顧吉?jiǎng)?，陳忠年，?升

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司，江蘇常州 213011）

引言

在液壓系統(tǒng)中，溢流閥是最常見(jiàn)的一種壓力控制閥，適用于多種壓力控制單元，如：穩(wěn)壓控制單元、卸荷控制單元、安全保護(hù)單元、背壓控制單元、遠(yuǎn)程控制單元等等。溢流閥按其控制形式分為直動(dòng)型溢流閥（見(jiàn)圖1a）和先導(dǎo)型溢流閥（見(jiàn)圖1b）兩種。一般來(lái)講，直動(dòng)型溢流閥適用于低壓、小流量系統(tǒng)；先導(dǎo)型溢流閥適用于高壓、大流量系統(tǒng)。

圖1 溢流閥種類(lèi)

1 溢流閥工作原理

溢流閥的溢流壓力等于彈簧調(diào)定的壓力。當(dāng)溢流閥進(jìn)油口的壓力小于彈簧的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)油口與溢流口不導(dǎo)通；當(dāng)溢流閥進(jìn)油口的壓力大于彈簧的調(diào)定壓力時(shí)，溢流閥閥芯處于開(kāi)啟狀態(tài)，進(jìn)油口與溢流口導(dǎo)通，并且閥芯導(dǎo)通開(kāi)度隨進(jìn)油口壓力的增大而增大；當(dāng)溢流閥進(jìn)油口壓力與彈簧的調(diào)定壓力相等時(shí)，閥芯處于平衡靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)進(jìn)油口壓力就是溢流閥的調(diào)定壓力。

先導(dǎo)型溢流閥是在直動(dòng)型溢流閥的基礎(chǔ)上再加一個(gè)溢流閥作為主閥，直動(dòng)型溢流閥作為先導(dǎo)閥。主閥與先導(dǎo)閥在結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是主閥沒(méi)有調(diào)壓彈簧，主閥的閥芯開(kāi)啟壓力用先導(dǎo)閥的溢流壓力來(lái)調(diào)定，在流量、壓力較高的場(chǎng)合使用時(shí)可以縮小溢流閥體積，并且做到精確調(diào)壓。

先導(dǎo)型溢流閥的工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 先導(dǎo)型溢流閥的工作原理

2 溢流閥的線上應(yīng)用

在液壓系統(tǒng)中，溢流閥能根據(jù)系統(tǒng)各控制回路不同的控制特點(diǎn)，分別起到調(diào)壓溢流、安全保護(hù)、卸荷、遠(yuǎn)程調(diào)壓、使液壓缸回油腔形成背壓等多種作用，具體應(yīng)用的介紹如下。

2.1 調(diào)壓溢流功能

在系統(tǒng)采用定量泵供油時(shí)，由于油泵的供油量基本恒定不變，為了調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度就需在其進(jìn)油路或回油路上安裝節(jié)流閥或調(diào)速閥，此時(shí)溢流閥就會(huì)把多余壓力油在保證油缸所需壓力的前提下溢流回油箱，溢流閥調(diào)定的壓力就是系統(tǒng)的工作壓力，溢流閥此時(shí)的功能就是調(diào)壓溢流功能，如圖3（a）所示。

2.2 安全保護(hù)功能

在系統(tǒng)采用變量泵供油時(shí)，正常情況下系統(tǒng)內(nèi)是沒(méi)有多余的油液需溢出的，但在油泵變量機(jī)構(gòu)有故障時(shí)就可能會(huì)發(fā)生油泵輸出壓力變高的情況，造成系統(tǒng)壓力超過(guò)安全壓力，除此之外，系統(tǒng)過(guò)載也會(huì)造成系統(tǒng)壓力升高。為了保障系統(tǒng)的安全，在系統(tǒng)內(nèi)的管路上設(shè)置溢流閥，在出現(xiàn)系統(tǒng)壓力異常升高時(shí)打開(kāi)泄壓，以保障系統(tǒng)安全。這種系統(tǒng)中的溢流閥也稱(chēng)安全閥，正常情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，如圖3（b）所示。

2.3 使泵卸荷功能

在采用定量泵供油系統(tǒng)時(shí)，由于油泵的供油量基本恒定不變，執(zhí)行元件處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)系統(tǒng)不需要有流量，油泵提供的壓力油就需要回到油箱，此時(shí)安裝在油泵出口的先導(dǎo)式溢流閥就可在電磁換向閥的控制下執(zhí)行使泵卸荷功能，見(jiàn)圖3（c）。

2.4 遠(yuǎn)程調(diào)壓功能

如圖3（d）所示，當(dāng)先導(dǎo)式溢流閥的外控油口接到另一個(gè)溢流閥的進(jìn)油口時(shí)，調(diào)定壓力就取決于兩個(gè)溢流閥中設(shè)置壓力較小的溢流閥。系統(tǒng)通過(guò)電磁換向閥的通斷功能，就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)壓力轉(zhuǎn)換。

2.5 形成背壓功能

為了液壓缸的運(yùn)行動(dòng)作穩(wěn)定，在液壓缸的回油路上需建立一定的壓力，我們稱(chēng)此壓力為背壓。如圖3（a）中所示，液壓缸的有桿腔到油箱之間接入一個(gè)溢流閥，利用溢流閥的調(diào)壓功能在油箱與油缸無(wú)桿腔之間建立一個(gè)適當(dāng)?shù)膲毫?，這個(gè)壓力就是油缸的背壓，這種用途的溢流閥稱(chēng)為背壓閥。

圖3 溢流閥的應(yīng)用

3 溢流閥常見(jiàn)故障分析

溢流閥常見(jiàn)的故障有調(diào)壓失靈、噪聲和振動(dòng)引起調(diào)壓不穩(wěn)等。

3.1 調(diào)壓失靈故障

3.1.1 故障原因分析

調(diào)壓失靈故障常見(jiàn)的有兩種：一是調(diào)節(jié)調(diào)壓手柄壓力達(dá)不到額定值或者無(wú)壓力；二是壓力過(guò)高，調(diào)節(jié)調(diào)壓手柄壓力不下降，甚至上升。

出現(xiàn)調(diào)壓失靈故障的主要原因有以下幾點(diǎn)。

（1）調(diào)壓彈簧預(yù)緊力不對(duì)。通常是由于彈簧斷裂、變形或選型錯(cuò)誤導(dǎo)致調(diào)不上壓。

（2）溢流閥的內(nèi)泄漏過(guò)大，或先導(dǎo)閥密封不嚴(yán)等導(dǎo)致調(diào)不上壓。

（3）控制油孔K 不用時(shí)未能有效堵死，K 孔通大氣，溢流閥處在卸荷狀態(tài)，導(dǎo)致調(diào)不上壓。

（4）主閥芯上的阻尼孔被油污堵死。當(dāng)被控油壓超過(guò)開(kāi)啟壓力時(shí)，主閥芯施壓于其上腔和先導(dǎo)閥前腔的油液，推開(kāi)先導(dǎo)閥溢流，主閥芯隨之上移，打開(kāi)主閥芯溢流口，該口隨被控壓力的增高而開(kāi)大，直到全開(kāi)。但是，當(dāng)被控壓力減小時(shí)，主閥芯不能下降，主閥溢流口不會(huì)減小，而始終處于全開(kāi)狀態(tài)。使溢流閥調(diào)壓失常。

（5）主閥芯在全開(kāi)狀態(tài)時(shí)，主閥芯因被卡緊或因主閥彈簧失去作用而不能下降，導(dǎo)致調(diào)壓失常。

（6）先導(dǎo)閥閥座上的小孔被堵死，油壓傳遞不到調(diào)壓彈簧上，等于調(diào)壓彈簧失去了限壓作用。液壓系統(tǒng)失去了限壓安全保護(hù)裝置，可能釀成重大事故。因此，在許多高壓大功率的液壓設(shè)備上和特別重要的液壓系統(tǒng)中，常常設(shè)置兩套限壓溢流裝置，以確保液壓系統(tǒng)的安全。

3.1.2 調(diào)壓失靈故障排除

由3.1 所述以上溢流閥常見(jiàn)故障分析可知，遇到調(diào)壓失靈現(xiàn)象時(shí)，要根據(jù)失靈現(xiàn)象，結(jié)合溢流閥工作原理和具體結(jié)構(gòu)，確定故障部位及原因，進(jìn)行修理，例如，調(diào)壓彈簧斷裂、變形或選用錯(cuò)誤，應(yīng)更換調(diào)壓彈簧；阻尼孔堵寨時(shí)應(yīng)疏通之，并分析堵塞原因、或清洗元件、或過(guò)濾、更換液壓油；先導(dǎo)閥錐閥芯和閥座密封不嚴(yán)時(shí)，則應(yīng)重新研配或更新。這些直觀性的修理對(duì)策不需多述。

3.2 調(diào)壓不穩(wěn)故障

3.2.1 故障原因的分析

噪聲和振動(dòng)是引起調(diào)壓不穩(wěn)的主要原因。在液壓系統(tǒng)中，噪聲、振動(dòng)和油壓跳動(dòng)常常是互相伴隨的。嚴(yán)重的噪聲和振動(dòng)會(huì)影響傳動(dòng)性能和控制性能，進(jìn)而影響液壓設(shè)備的壽命。

液壓系統(tǒng)中噪聲和振動(dòng)的主要來(lái)源是液壓泵和液壓閥，而液壓閥中又以溢流閥和電磁換向閥最易產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。油液振動(dòng)、空穴、液壓沖擊以及閥中運(yùn)動(dòng)元件的撞擊與磨擦都是溢流閥產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)的原因。

（1）機(jī)械振動(dòng)噪聲

先導(dǎo)式溢流閥的振動(dòng)最易發(fā)生在先導(dǎo)部位的錐閥芯處。如圖4所示，在高壓油液溢流時(shí)，錐閥芯的開(kāi)度很小，僅僅0.03～0.06 mm。如果錐閥和錐閥座加工精度不夠或磨損導(dǎo)致配合面橢圓就會(huì)造成錐閥徑向力不均衡，在彈簧力的作用下產(chǎn)生振蕩，通過(guò)先導(dǎo)閥前腔的共振作用發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲，并伴隨著劇烈的壓力跳動(dòng)。

圖4 先導(dǎo)閥振動(dòng)的機(jī)理

（2）空穴噪聲

在節(jié)流口流速很高的部位，油液從高壓區(qū)流到低壓區(qū)的過(guò)程中，溶解在高壓油液中的空氣以氣泡爆裂的形式得到快速釋放，在氣泡爆裂的過(guò)程中產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。這種空氣以氣泡爆裂形式快速釋放的現(xiàn)象稱(chēng)為空穴。先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥口和主閥口是高低壓轉(zhuǎn)換區(qū)域，此處極易發(fā)生這種空穴現(xiàn)象，產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。空穴現(xiàn)象還能產(chǎn)生局部的高溫和高壓，剝落表面金屬層，粗糙化金屬表面，降低閥芯配合面的精度。

（3）液壓沖擊噪聲

先導(dǎo)式溢流閥在卸荷時(shí)，油液從高壓狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)為低壓狀態(tài)，壓力的急劇變化會(huì)產(chǎn)生壓力波沖擊，在機(jī)械零件共振的作用下，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

3.2.2 調(diào)壓不穩(wěn)故障排除

關(guān)于噪聲和振動(dòng)的消除是很棘手的。首先，分析噪聲和振動(dòng)的產(chǎn)生原因，確定振源就是很不容易的。有的噪聲和振動(dòng)產(chǎn)生的原因是閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理(如導(dǎo)閥芯與閥座的結(jié)構(gòu)參數(shù)，導(dǎo)閥前的容積大小等)，閥的配合面加工精度低；有的是液壓系統(tǒng)的問(wèn)題(如管道過(guò)長(zhǎng)、且固定不好，油液中含有空氣等)；也有的是使用的問(wèn)題(如流量過(guò)大或過(guò)小，油液不潔，油溫過(guò)高等)。一般地說(shuō)，先導(dǎo)閥是最主要的振源，應(yīng)首先檢查其技術(shù)狀態(tài)是否異常，若有異常則應(yīng)換新或修復(fù)。此外，應(yīng)檢查油液是否合格,不合格者應(yīng)過(guò)濾或換新；溢流閥回油流速和背壓要小，為此回油斷面要足夠大，回油斷面不要突然擴(kuò)大，溢流回油最好單獨(dú)回油箱；溢流閥的安裝要穩(wěn)定、牢固，要注意連結(jié)螺栓要均勻擰緊，但又不得過(guò)緊，以防溢流閥體變形，影響溢流閥內(nèi)運(yùn)動(dòng)部件的正常配合狀態(tài)，產(chǎn)生卡阻現(xiàn)象，因而影響溢流閥的正常工作。

4 案例分析

某特殊鋼棒材廠加熱爐出現(xiàn)爐內(nèi)鋼坯跑偏的故障，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)一系列的排查，發(fā)現(xiàn)步進(jìn)梁在上升到位后有偏移的現(xiàn)象，由此確認(rèn)問(wèn)題出在液壓系統(tǒng)。

4.1 油路分析

如圖5 所示，根據(jù)步進(jìn)梁升降油缸液壓原理可知，油缸上升時(shí)，壓力油經(jīng)平衡閥(a)和平衡閥(b)分別進(jìn)入到升降油缸(a)和升降油缸(b)的無(wú)桿腔，再由油缸的有桿腔流回閥臺(tái)。

圖5 步進(jìn)梁升降油缸液壓原理圖

當(dāng)油缸下降時(shí)，壓力油從閥臺(tái)進(jìn)到升降油缸(a)和升降油缸(b)的有桿腔，再由無(wú)桿腔經(jīng)平衡閥回到閥臺(tái)。溢流閥并接在油缸的無(wú)桿腔，起安全保護(hù)作用。

4.2 故障查找

分析故障現(xiàn)象，油缸在做上升動(dòng)作時(shí)未有明顯異常，在上升到位后出現(xiàn)向一邊偏移。在無(wú)桿腔的測(cè)壓接頭(a)和測(cè)壓接頭(b)上分別接一個(gè)壓力表，測(cè)得測(cè)壓接頭(a)的壓力為0 MPa，測(cè)壓接頭(b)的壓力為12 MPa，系統(tǒng)壓力設(shè)定為14 MPa。

由此，可以推斷是升降油缸(a)的無(wú)桿腔有泄漏。從圖5 可以看出，能發(fā)生泄漏的元件有升降油缸(a)、溢流閥(a)、平衡閥(a)。按照先易后難的原則，首先檢查平衡閥(a)、溢流閥(a)。分別拆下這2個(gè)閥，均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。裝上平衡閥(a)、溢流閥(a)后試車(chē)，測(cè)得測(cè)壓接頭(a)處的壓力仍然為0 MPa。再仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)溢流閥接回油管的膠管溫度略高于常溫。

結(jié)合溢流閥的工作原理、常見(jiàn)故障及線上檢查，可以確定溢流閥產(chǎn)生故障。

4.3 排除故障

圖6 是溢流閥的結(jié)構(gòu)圖。由圖6 可以看出，壓力油P 與回油T 之間是用一個(gè)組合密封墊隔開(kāi)成兩個(gè)油腔。如果密封墊破損，會(huì)造成壓力油的泄漏。由于此溢流閥是插裝式的，組合墊片裝在閥臺(tái)的閥孔里面，檢查溢流閥時(shí)并未注意到這個(gè)組合密封墊。再次拆下溢流閥檢查，發(fā)現(xiàn)里面的組合密封墊已經(jīng)破損。更換密封墊后裝閥試車(chē)，測(cè)量測(cè)壓接頭(a)、測(cè)壓接頭(b)處的壓力均為9 MPa，壓力恢復(fù)正常，油缸上升到位后不再偏移，加熱爐的爐內(nèi)鋼坯跑偏故障完全排除。

圖6 溢流閥結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

該特殊鋼棒材廠有多處設(shè)備存在溢流閥，溢流閥是液壓系統(tǒng)的安全保護(hù)裝置，通過(guò)對(duì)溢流閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及現(xiàn)場(chǎng)的故障解決，對(duì)今后的同類(lèi)故障有重要的指示作用，并形成切實(shí)有效的解決方案。

新液壓設(shè)備試車(chē)、更換溢流閥后的液壓泵啟動(dòng)前，必須確認(rèn)溢流閥的限壓作用，并將調(diào)壓彈簧松開(kāi)，使溢流閥處于卸荷狀態(tài)。保證液壓泵的無(wú)載起動(dòng)，再逐漸擰動(dòng)調(diào)壓手輪，壓縮調(diào)壓彈簧，使系統(tǒng)壓