液壓錨纜機平衡閥的故障分析

辛黎明，程 恒，郭 瑞

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

液壓錨纜機平衡閥的故障分析

辛黎明，程 恒，郭 瑞

(上海華潤大東船務(wù)工程有限公司，上海 202155)

文章就某船液壓錨纜機操縱閥置于中位時，收緊的纜繩在張力的作用下馬上松開，回到松弛狀態(tài)的現(xiàn)象，對平衡閥的結(jié)構(gòu)、工作原理和受力狀態(tài)進行分析，并提出了修理方法。

液壓錨纜機；平衡閥；組合閥芯；液壓馬達

1 故障現(xiàn)象

某船的其中1臺液壓錨纜機在進廠修理前存在如下問題：放纜操作時能正常運行放出、停止，而收纜操作時能正常地收緊纜繩，可一旦將操縱閥置于中位時，則收緊的纜繩在其張力的作用下馬上松開，回到松弛的狀態(tài)。對此現(xiàn)象，船員在操作時只能是1名船員將操縱閥置于收纜狀態(tài)，另1名船員則操作絞纜滾筒的剎車手柄，使剎車帶將滾筒制動，從而達到拉緊纜繩的目的。

圖1 錨纜機系統(tǒng)原理圖

2 液壓錨纜機系統(tǒng)工作原理

從圖1 所示液壓錨纜機系統(tǒng)原理圖可知，液壓泵站輸出的壓力油經(jīng)流量和方向控制閥、平衡閥后，流入液壓馬達，圖1中，流量和方向控制閥是帶節(jié)流孔的三位四通閥，具有Y型中位機能；平衡閥是壓力控制閥，當處于收纜狀態(tài)時，油液可以打開單向閥而自由流動，一旦纜繩拖帶的負荷過大，導(dǎo)致驅(qū)動液壓馬達的油壓上升并超出了一定的工作壓力后，溢流閥起跳而泄壓保護；放纜狀態(tài)時，只能在進油壓力作用下打開外控順序閥而回油，可以防止油馬達在負載的拖帶下回轉(zhuǎn)速度不斷加速而失控；而高低速轉(zhuǎn)換閥則是當液壓系統(tǒng)的工作壓力超過或某個設(shè)定值后液壓馬達自動由高速低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動變成低速大轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)；或當工作壓力低于該設(shè)定值后，由低速大轉(zhuǎn)矩變換成高速低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，以適應(yīng)工作負荷的變化。

3 故障原因分析

該錨纜機的操縱閥在中位位置時收緊的纜繩在其張力的作用下馬上松開，回到松弛的狀態(tài)，說明了該系統(tǒng)中平衡閥的順序閥或者單向閥始終處于開啟狀態(tài)，當液壓馬達受到外力拖動作用后，由于它的外控平衡閥失效，外部控制油壓對平衡閥芯不起作用，從而產(chǎn)生了纜繩自動松開的現(xiàn)象。從該平衡閥的結(jié)構(gòu)可知，它的外控管路在主閥芯的下腔有2個油道，其中1條是帶有單向閥的油道，它的作用是使閥芯下腔中的油只能快速地泄放，另1條是帶有阻尼孔的油道，它對于進入和流出閥芯下腔的液壓油起限制作用，當阻尼孔與單向閥組合在一起后，對控制油進入閥芯下腔的流速起限制作用，而對于泄放則可以通暢流動。當外控單向閥因管路中存在的雜質(zhì)等原因而造成了單向閥和阻尼孔的堵塞、卡死，閥芯下腔中的控制油無法泄放，則平衡閥的組合閥芯無法復(fù)位而使得順序閥處于常通狀態(tài)。這樣原本可以由外控液壓油控制的組合閥芯就處于常通狀態(tài)，從而導(dǎo)致當纜繩拉緊后，即使流量和壓力控制閥處于中位狀態(tài)，平衡閥也不起作用。所以平衡閥外控油路上的故障就是該系統(tǒng)工作異常的原因。

4 平衡閥收、放纜工作原理

該平衡閥是為了防止因外加負載拖帶而保持背壓的壓力控制閥，由單向閥、外控型先導(dǎo)式順序閥、安全閥(先導(dǎo)式溢流閥)組成，其工作原理如下。

處于收纜狀態(tài)時(如圖2所示)，自流量與方向控制閥來的工作油液經(jīng)A口到達單向閥處，當油液壓力產(chǎn)生的作用力大于單向閥彈簧G1的彈力時，單向閥打開，油液經(jīng)此閥流向A′口，然后經(jīng)流道和管路到達液壓馬達，驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動，而回油則從液壓馬達經(jīng)管道和流道從B′口經(jīng)閥體內(nèi)的流道由B口流出，再由流量與方向控制閥流回油箱。

放纜狀態(tài)時(如圖3所示)，自流量和方向控制閥來的工作油液經(jīng)B口直接由平衡閥內(nèi)的流道到達閥口B′，然后經(jīng)管道到達液壓馬達，驅(qū)動液壓馬達作放纜方向的回轉(zhuǎn)運動，與此同時，驅(qū)動液壓馬達的液壓油通過平衡閥中的L口，由油道經(jīng)節(jié)流阻尼孔O進入到閥芯的下腔H中，在液壓力的作用下，閥芯克服彈簧G2的作用力，打開了閥口M，使得回油可以從A′口流入，經(jīng)閥芯的M口從A口流出平衡閥，再經(jīng)壓力和流量控制閥而回油箱。

圖2 平衡閥收纜工作示意圖

圖3 平衡閥放纜工作示意圖

5 平衡閥芯受力狀態(tài)分析

5.1正常工作狀態(tài)下閥芯的受力狀態(tài)

從液壓系統(tǒng)原理圖和平衡閥的結(jié)構(gòu)可知，平衡閥中的順序閥芯與單向閥是組合閥芯。

1) 收纜狀態(tài)。在收纜過程中，組合閥芯起單向閥的作用，該狀態(tài)下，壓力油作用于單向閥的球閥上，當壓力油作用于球閥上的壓力大于彈簧的力后，單向閥打開，使油道呈通路狀態(tài)。由于單向閥中的彈簧主要用于克服摩擦力、閥芯(鋼球)的重力和慣性力，并使閥芯在反向流動時能迅速關(guān)閉，所以單向閥中的彈簧比較軟，一般開啟壓力為0.03～0.05 MPa[1]，相較于25 MPa的最大工作壓力而言是比較小的。收纜時系統(tǒng)的工作壓力由負荷所決定。此時平衡閥芯(鋼球)所受的力有液壓力、穩(wěn)態(tài)液動力、單向閥彈簧力、重力等，如圖4。

圖4 平衡閥收纜時閥芯的工作狀態(tài)示意圖

閥芯受力平衡方程[1]如下：

2) 放纜狀態(tài)。放纜時組合閥芯中的順序閥芯所受的力有閥芯底部的液壓力，穩(wěn)態(tài)液動力，組合閥芯復(fù)位彈簧力。當閥芯底部向上的液壓力大于等于向下的閥芯復(fù)位彈簧力與穩(wěn)態(tài)液動力之和，則組合閥芯的閥口M打開，如圖5。此時閥芯受力平衡方程為：

即平衡閥最小開啟壓力PK必須是大于進口壓力PH。

式中：PH為液壓系統(tǒng)驅(qū)動馬達并打開組合閥芯的壓力;D為順序閥閥芯的直徑;K2為順序閥復(fù)位彈簧的剛度;L為閥芯與閥體之間的油封長度;Y0為順序閥復(fù)位彈簧的預(yù)壓縮量;Y1為順序閥打開時復(fù)位彈簧的壓縮量(即閥的開度);Cd2為順序閥的閥口流量系數(shù);α2為順序閥的閥口射流角，α2=69°。

圖5 平衡閥放纜時閥芯的工作狀態(tài)示意圖

放纜時，液壓系統(tǒng)的壓力必須大于PH，才能打開組合閥芯。一旦組合閥芯底部的壓力低于PH值，則在復(fù)位彈簧力和穩(wěn)態(tài)液壓力的作用下，組合

閥芯下降并關(guān)閉閥口M，即切斷了液壓馬達的回油管路，使液壓馬達處于停止狀態(tài)，從而保證了液壓馬達必須在壓力大于PH液壓驅(qū)動力作用下才能回轉(zhuǎn)，避免了外力拖帶造成液壓馬達回轉(zhuǎn)，從而保證了船舶的安全。

5.2故障情況下閥芯的受力狀態(tài)

當組合閥芯因雜質(zhì)等原因造成下腔無法泄油，則組合閥芯將始終處于通路狀態(tài)。在放纜狀態(tài)下，液壓馬達只要有壓力很低的液壓油就能進行轉(zhuǎn)動，而不是象正常狀態(tài)下系統(tǒng)壓力必須大于PH，并將閥芯打開后才能工作。

6 解決方案

通過以上分析可知，該故障的原因在于平衡閥的外控單向閥控制管路堵塞所致。為此通過拆解控制閥組中的平衡閥及其中的單向閥，清除管路中的雜質(zhì)，對相關(guān)閥及閥座的配合面進行檢查，清通節(jié)流小孔，同時對相關(guān)的零部件也進行了清潔和疏通，用壓縮空氣進行吹掃，從而保證了外控平衡閥的正常工作。經(jīng)回裝試驗后，該液壓錨纜機的收纜和放纜操作均正常。

[1]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

Based on the phenomenon that the tightened rope will be loosened with the force of the rope tension when the direction valve of the hydraulic mooring winch is on the neutral position,this paper analyzes the principle,the structure and the mechanics state of the mooring winch counter balance valve,and puts forward the repairing method.

hydraulic mooring winch;counter balance valve;composite valve-core;hydraulic motor

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2014.06.009

辛黎明(1965-)，男，上海人，高級工程師，大學(xué)本科，主要從事船舶輪機修理工作。

在液壓錨纜機控制閥出現(xiàn)故障后會影響設(shè)備的操作，甚至?xí)o船舶的安全航行帶來極大危害。

2014-07-19