逻辑阀的故障分析及排除
逻辑阀是70年代初出现的为解决大流量液压控制系统以往的种种弊端(如管道粗、配管工作量很大,安装、维修困难,且易出现漏油、振动等)和难题的一个新的分枝,它为特大流量(可高达7000L/min)和较复杂的液压控制系统的设计开创了一条新的道路,
逻辑阀的主要元件阀芯的形状是筒形的,均采用插入式的连接方式,掌锥面密封来切断油路,故也称为插入式锥阀,此外也称之为插装阀(CV阀)。
逻辑阀的主阀部分采用插入式逻辑单元,再与先导控制部分组合,可复合成多机能阀,实现对压力、流量和方向的控制,构成各种压力阀、流量阀和方向阀(参见图6—38)。
逻辑单元由阀套、阀芯及O形圈组成(图6—39).它的基本动作是打开与关闭。它装在阀体内的结构如图6—40所示。图中,推动阀芯上抬的力设为Fo,推动阀芯下移的力设为Fs.则:
F₀=PA·AA+Ps·As
Fs=Px·Ax+KX。+F(F,为液流作用在阀芯上的液动力)目前国内外所用逻辑单元有如表6—2所示为三种类型。
(一)逻辑阀对油流方向的控制
逻辑阀和常用的液压阀一样,要能独立地构成完整的液压控制系统,即要能实现对油流的方向、压力和流量的控制。
要实现方向控制,就要能接通或切断某个油路。而这决定于作用在阀芯上的力。当F₀<Fs时,阀芯关闭:当F₀>Fs时,阀芯打开。从F。与Fs的表达式可知,改变控制压力Px就能改变阀开启还是闭合的状态。当然阀的状态还取决于工作油腔A和B的压力,以及弹簧力和液动力的大小,图641分别表示关闭与开启的状态。
利用逻辑单元与控制部分的不同组合方式,可组合成单向阀、液控单向阀、电磁换向阀、液动换向阀及电液动换向阀等,并且构成换向阀的“位”与“通”及不同职能的各种形式。
])单向阀
如图6—42所示,它通过阀盖和阀体上的通道,使阀芯上腔与B腔连通,使逻辑阀变为单向阀,A→B可自由流通,B→A截止。
2)液控单向阀
逻辑系统中的液控单向阀常用上控式液控单向阀。如图6—43a)所示的逻辑阀,当电磁铁断电时,若P₈>PA,B腔的压力油可流向A腔;若PA>Pg,锥阀关闭,A腔的压力油不能流向B腔;但当电磁铁通电时,A、B腔沟通,油液由B→A或A→B均可自由流动。
图6—43b)所示的逻辑阀的作用与图6-43a)所示的相反。电磁铁断电时,当Pa>Ps时,A腔的压力油可流向B腔;而Pn>PA时,锥阀关闭,B腔的压力油不能流向A腔;电磁铁通电时,A、B腔的压力油可以正反方向流动。
由上述说明可知,它们便构成了上控式液控单向阀。图6—44a)、b)所示的带阻尼的阀芯也可构成这
种液控单向阀。只要使控制腔X断开或者接通油箱,也可改变阀的启闭状态,达到沟通或切断油流的目的其工作情况与上述一样。
3)电液动换向阀
①二位二通阀
如果通过一个小型电磁阀,使控制腔X与压力油或油箱接通,来实现阀的关闭与开启、这样就成了一个电液动二位二通逻辑换向阀。如果控制油来自外部或者单独的小流量液压泵〔图6—45a〕b〕〕,就是一个外控式二位二通逻辑阀;若引到控制腔X的控制油来自A腔或B腔〔图6—45b〕c〕〕,就是一个内控式二位二位逻辑阀。
控制油引自A腔的内控式阀,在关闭时,来自A腔的控制油通过电磁阀,再经主阀芯的导向面间的环状间隙漏向B腔,所以A、B腔之间存在泄漏。若控制油引自B腔,则A·B腔之间不存在内泄漏。一般来说,控制油引自A腔的内控式逻辑阀,用于控制A→B的油流,引自B腔的内控式逻辑阀用于控制B→A的油流。图6—46中,只要让控制油路X的压力处于Px=0或Px=PA即可构成二位二通电液阀使用。若欲使油路在两个方向上均能关闭,必须采用A、B腔供油或外控供油的方法。
表6—2逻辑单元的种类与特点
种类 | 职能符号 | 型号 (面积比·AA/Ag) | 特点 |
阀式 |
|
K型(1:1) |
压力阀(也可作方向阀用)用启闭特性好 ·作压力补偿流量阀的压力补偿阀用*A、B口之间存在内泄漏 |
阀座式(锥阀式) |
| DBS型(1:1.08) | 压力、方向、流量阀用 ·可实现稳定的压力控制·A·B口之间无内泄漏 ·可进行流量控制,但不可反向流动 |
S型 (1≠1.2)(常用型) | 方向、流量(也可压力)控制阀用·A·B口之间无内泄漏 ·作流量控制阀时,不可反向流动·可作安全阀进行压力控制 | ||
R型(1:2) | 方向流量控制阀用 ·A·B口之间无内泄漏.可反向流动 | ||
S型带缓冲(1:1.2) | 流量、方向控制阀用A、B阀无泄漏 ·小流量控制优越 | ||
减压阀式 |
|
DMK型 (1:1)Ap:Ay |
压力控制阀用用作油压阀 ·用于压力补偿流量控制阀的压力补偿阀 |
②二位三通阀(图6—47)
用两个逻辑阀并联,用一只(或多只)二位四通换向阀进行控制,便可构成二位三通阀(或多位三通阀)。
③二位四通换向阀
用四只锥阀控制主油路的四个工作腔,X口并联后用一只二(三)位四通换向阀控制,可作为二(三)位四通换向阀使用(图6—48)。
④四位四通阀
采用两个二位四通电磁阀,控制四个逻辑阀,便可组成图6—49所示的内控式四位四通电液换向阀。将主油路四只锥阀交叉地由两只电磁阀控制,则可得图6—50所示的机能。
⑤十二位四通电液动逻辑阀(图6—51)。
如果采用四个二位四通(或三通)电磁阀,分别控制四个逻辑阀,就可以得到16种工作状态12种不同工作机能的电液动逻辑阀。每种机能对应着四个电磁铁的一种通电组合状态,可用二进制数码表示,通电为“1”,不通电为“0”。例如C型机能序号为4,代码为0100;P型机能序号为
11,代码为0110。这为数字显式和计算机控制带来很大方便。(见表6--3)
表6-3
逻辑代号 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 03 | 14 | 15 | 16 | |||
机能 | 符号 | 密 | H | 班 | 田 | 或 | H | H | 田 | ||||||||
代号 | 0 | N | C | Z | YA | R | K | P | H | H | H | H | H | ||||
先导电磁阀 (电磁铁) | 1DT | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||||||
2DT | 0 | 00 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||||||
3DT | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |||||||||
4DT | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 00 | 0 |
(二)逻辑阀对油流的压力控制
1,溢流阀
逻辑系统中用的溢流阀,是由图6-52所示的逻辑阀和先导调压阀合并(常规小流量溢流阀)组成、它相当于二节同心(主阀)的溢流阀,当A腔压力小于先导阀调定压力时,先导调压阀关闭,相当于X腔封闭,即Pa=Px,此时主阀关闭,不溢流,A、B腔不通。当A腔压力升高到等于或大于先导调压阀调定压力时,先导调压阀开启,A腔就有一部分压力油经过阻尼孔、阀芯上腔,再通过先导调压阀流到油箱。由于阻尼小孔有油液通过,就形成压差,使阀芯上腔的压力低于A腔压力。当此压差△P=PA-Px足够大,PA作用在阀芯AA面上的力和Px作用在Ax面上的力之差能克服弹簧力时,主阀芯抬起,A腔的压力油就通过B腔流向油箱。这样便构成溢流阀,起到控制系统的工作压力和对整个系统或系统的某一部分起到保护作用。
图6—53是另一种形式的溢流阀,A接油箱,B接压力油。
阀芯不带阻尼孔的逻辑元件也可构成溢流阀(图6-54),它是在阀芯外部通过阻尼孔将A腔和X腔连通。
图6-54b)为由小规格二位二通换向阀与溢流阀组成的电磁溢流阀原理图。除起到溢流阀的全部作用外,当电磁铁通电时,还可使系统卸荷。
图6—54c)为用一个压力逻辑阀构成的两级溢流阀的原理图。当电磁铁断电,A腔的最高工作压力由
先导调压阀2调节;当电磁铁通电时,如果先导调压阀1的调定压力比先导调压阀2的低,则A腔的最高工作压力取决于调压阀1的调定压力。从而A腔可得到两种不同工作压力。同样,若压力控制逻辑阀与比例控制的先导调压阀组合起来,便构成比例控制溢流阀〔图6一54d〕5。
2.顺序阔
如果将图6—54a)所示的溢流阀的B腔接二次油路,而不是接油箱,便构成了顺序阀(图6—55)。
3.减压阁
图6—56为定值输出型减压阀。它也是由主阀和先导调压阀两部分组成。A为一次压力腔,B为减压后的二次压力腔。其工作原理与§5—4所述相似,它既起到减压作用,又能自动地调节阀口开度大小达到减压后二次压力恒定的目的。
(三)逻辑阀对油流的流量控制
如图6—57所示,利用调节螺杆1对阀芯2的开启高度进行控制,可实现对通过流盘大小的控制。也有在阀芯上部加垫片限制阀芯行程的方式,这就是简式节流阀。而在流量控制要求较高的系统中,常用带压力补偿的流量阀(调速阀图6-58)。应该指出的是在高压大流量的逻辑液压系统中,采用节流调速是不经济的,而应采用容积调速的方式。
上述阀芯不带阻尼的逻辑元件构成的流量阀一般用作进油调速用,而阀芯带阻尼孔的逻辑阀构成的流量控制阀常作放油阀用,增加了阀芯开度调节装置后,就起到了可调节回油(出口节流)大小的作用。
图6—59为其它型式的逻辑流量阀示例。
二、故障排除
逻辑阀由先导部分与逻辑单元组成,先导部分与一般常规的小流量电磁换向阀、调压阀及节流阀等完全相同,所以因先导阀引起的故障可参阅有关部分所述进行故障排除。而逻辑单元如前所述有三种型式:滑阀式、锥阀式及减压阀芯式。从原理上讲,均起开启或关闭阀口两种作用,从结构上讲,形如一个单向阀。其故障主要如下。
(一)丧失“开”或“关”逻辑性能,不动作
产生这一故障的主要原因是阀芯卡死,要么卡死在开启(全开或半开)位置,要么卡死在关闭位置,这样,需要“关”时不能关,需要“开”时不能开,而丧失逻辑性能。具体原因有:
①油中污物楔入阀芯与阀套配合间隙;
②阀芯上棱边处有毛刺,或者装配使用过程中阀芯外圆柱面上拉伤;
③因加工误差,阀芯外圆与阀套内孔几何精度超差,产生液压卡紧;
④阀套嵌入阀体内,内孔变形,或因阀芯与阀套配合间隙过小而卡住阀芯。可针对上述不同情况、分别子以处置。
(二)反向开启,不能可靠关闭
如图6—60a)所示,当1DT与2DT均断电时,两个逻辑阀的控制腔X₁与X₂均与控制油接通,此时两逻辑阀均应关闭。但当P腔卸荷或突然降至较低的压力,而A腔还存在比较高的压力时,阀1可能开启,A、P腔反向接通,不能可靠关闭,(阀.2的出口接油箱,不会有反向开启问题)。
解决办法是,采用图6-60b)所示的在两个控制油口(阀的控制油不仅引自P腔,而且还引自A腔)的连接处装一个检阀(或两个反装的单向阀),当Pp>PA时,P腔来的压力控制油使逻辑阀1处于关闭且梭阀钢球(或单向阀I₂)将A腔封闭;当P腔卸荷或突然降压,Pp>PA时,来自A腔的控制油推动梭阀钢球将来自P腔的控制油封闭,同时经电磁阀与逻辑阀的控制腔接通,使逻辑阀仍处于关闭状态。这样不管P腔或A腔的压力发生什么变化,均能保证逻辑阀的可常关闭,
当梭阀因污物卡住,或钢球拉伤等原因,造成梭阀密封不严时,也会造成反向开启的故障。
(三)逻辑阀不能封闭保压
如图6-43所示的液控单向阀只能用在没有保压要求和保压要求不向的系统中。这是由于逻辑阀虽然关闭,但仍有一小部分油泄漏到油箱或另一油腔。图中a),当1DT断电,PA>Ps时,虽然A、B腔之间依靠阀芯锥面密封,通常状况下没有泄漏,但从A腔引出的控制油的一部分压力油经电磁阀的阀芯配合间隙漏到油箱,还有一部分压力油经逻辑阀圆柱导向面间的环状间隙漏到B腔,从而使A腔的压力逐渐下降而不能保压。对于图中b),当2DT断电,Pa>PA时,主油路切断,虽A、B腔之间没有泄漏,但B腔的压力油也有-部分压力油经电磁阀的环状间隙漏到油箱去,使B腔的压力逐渐下降。当然此时,图中b)较之图中a)保压效果要好一些,因为没有了B腔压力油经圆柱导向面间的间隙漏向A腔的内泄漏。但均不能严格可靠保压。
为了实现严格的保压要求,可采用图6-6la)所示的座阀式电磁阀(无内漏),或者图6-61b)所示的带外控式液控单向阀的结构。两种情况中,均能确保A、B腔之间无内泄漏,也不会出现经先导电磁阀的泄漏,因而可用于在对保压要求较高的系统中。此外下述原因也影响保压性能:
①阀芯与阀套的配合锥面不密合,导致AB腔间的内泄漏;必须提高阀芯与阀座的加工精度,确保良好密封装配时可用镧头垫中介物散击,对于控制腔向B腔的泄漏可采取在主阀芯上开密封槽或加0形圈的结构。
②阀套外圆柱面上的O形密封圈密封失效;
③阀体上内部铸造质量(例如气孔裂纹缩松等)不好,造成的渗漏以及集成块连接面间的泄漏。可针对不同情况子以处置。
(四)逻辑阀“开”“关”速度过快或者过慢,过快造成冲击,过慢造成动作迟滞,系统各元件不能协调动作逻辑阀的开关速度(时间)与许多因素有关,如控制方式、工作压力、流量、油温、控制压力、控制流
量及弹簧力大小等。对同一阀,开启和关闭速度也是不相同的,另外设计、使用调节不当,均会造成开关速度过快或过慢以及由此而产生的诸如冲击、振动、动作迟滞、动作不协调等故障。对于外控的方向阀元件,开启速度的主要决定因素是A腔和B腔的压力PAPs以及X腔排油管(往油箱)的流动阻力,当PA和P很大,而X腔排油很畅通时,阀芯上下作用力差将很大,所以开启速度将极快,以至于造成很大的冲击和振动。解决办法就是在X腔排油管回路上加单向节流阀来提高流动阻力,进而减低开启速度;反之,当PA和Pg很小,而X腔排油不畅通时,阀芯上下作用力差很小,所以开启速度将很慢,这时却要适当调节装在控制腔X排油管路上的节流阀,使排油管流动阻力减少〔图6---62a〕〕。
外控式方向阀元件的关闭速度的主要决定图6--62
因素是控制压力Px与PA或P。的差值、控制流量和弹簧力。当差值很小,主要靠弹簧力关闭时,关闭速度就比较慢,反之则较快。要提高关闭速度就需要提高控制压力,例如采用足够流量单独控制的泵提供足够压力的控制油等措施;当差值很大,关闭速度太快时,也可在X腔的进油管路上加节流阀来减少Px和控制流量,以减低关闭速度〔图6—62b〕〕。
对于内控式的压力阀元件,它的开启速度与时间主要取决于系统的工作压力,阀芯上的阻尼孔和弹簧力,以及控制腔排油管路的流动阻力。作为二位二通阀使用时,与电磁溢流阀卸荷时一样,在高压下它的开
启速度太快,造成冲击和振动,解决办法也是在排油管上加单向节流阀,调节排油阻力来改变开启速度。关闭速度主要与阻尼孔和弹簧力有关,由于它是压力阀元件,为了获得满意的稳定性,关闭速度是受限制的,现有压力阀的关闭时间一般为十分之几秒。如果必须提高,就只有加大阻尼孔或加强弹簧力,但是反过来又会影响阀的开启时间和压力阀的其它性能。
另外,先导装置的大小对阀的开关速度有较大影响,所以在设计使用中必须按它所控制的锥阀元件的大小和要求的开关速度来确定其型号(通径)。
图6—63为加装缓冲器,用以自动控制开阀与关阀速度,从而可有效消除液压泵卸荷时的冲击。当缓冲器阀芯2处于原始位置时,溢流阀处于卸荷状态。当X₂腔被电磁淘封闭(电磁铁通电)时,溢流阀关闭,系统升压。阀芯2左端在油压作用下克服弹簧3的弹力右移,压在右端弹簧座4上。这时阀芯2的锥面使X₁和X₂两腔之间仅有一个很小的通流面积,形成一个液阻,液阻大小可通过调节螺杆5进行调节。当电磁阀断电时,溢流阀上腔压力经缓冲器的这个阻尼向油箱缓慢卸压,同时阀芯2左端的压力因接通油箱而迅速下降,在弹簧3的作用下阀芯2左移,X₁腔与X₂腔之间的通流面积也相应逐渐加大,溢流阀上腔压力的下降速度也加快,从而使溢流阀阀芯抬起(开启)的速度开始很慢,以后逐渐变快,即系统压力处于高压时卸压慢,低压时卸压快,从而有效地消除了液压泵卸荷时的冲击,并适当控制卸荷时间。
这种缓冲器同样可以联在油短进出油口处,使油缸回油腔的压力油先缓慢卸荷,再快速流回油箱,以减少换向冲击。例如YA27-500型单动薄板冲压液压机的逻辑液压系统(图6--64)中,缓冲器W₁的作用是减少液压泵卸荷时的液压冲击,缓冲器W₂使主缸上腔的压力油缓慢地卸荷,以减少换向时的液压冲击。
(五)内漏与外漏
内漏较小时,会影响逻辑阀的性能,内漏大时造成逻辑阀功能(如前述的保压)失效。
产生内漏大的原因是:对于滑阀式逻辑单元主要是配合间隙超差所致,对于帷阀式,主要是锥面不密合其泄漏原因同一般圆柱滑阀和单向阀,可参照排除。
外漏同样影响逻辑阀性能.产生外漏的主要部位是先导部分的结合面以及每一阀板之间的结合面,外泄漏的主要原因是阀套嵌入时破坏了O型圈,先导部分的结合面平面度不好及密封不好,可根据情况分别子以解决。
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