兩級伸縮式液壓缸與四柱兩級滑軌的故障分析與排除

武新柱，張云鶴，劉海洋，胡新亮，劉振華

（國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

液壓系統作為機械設備的一部分，它與設備的機械傳動及電氣系統緊密相關。從發生故障的情況來看，如磨床，電氣系統故障約占60%，機械部分約占26%，而液壓系統僅占14%。然而，液壓傳動往往作用在轉動和直線運動上，是機械傳動鏈的重要部分，所以即使是小故障，也勢必影響到機器的正常運轉。但液壓系統又作為機械傳動的輔助部分，這就導致很多表面看來貌似液壓故障的問題，往往不能從液壓本身著手解決，可能病根兒并不在液壓。

1 實例分析

本文單以一例伸縮式液壓缸運用過程中的故障分析入手，來說明這些故障排除工作的復雜性。伸縮式液壓缸一般是由兩個或多個活塞式液壓缸套裝而成，前一級活塞缸的活塞桿亦是后一級活塞缸的缸體，因此，通過它可以在缸體空間有限的情況下得到較長工作行程。伸縮式液壓缸也可稱作多級液壓缸，典型應用有翻斗汽車及起重機的伸縮臂等。

下文主要介紹了兩級伸縮式液壓缸與四柱滑軌相互配合在一種工裝設備中的應用，以及出現液壓缸爬行問題后的解決方案。這種工裝設備要求在豎直方向升降行程為1400mm，且平臺降至最低點時設備本身高度不得大于1000mm；豎直方向所受負載又相對（設備外形尺寸較小）比較大。

最初設計時采用的是氣動方案，在計算后發現承載無法滿足客戶需求，進而決定采用液壓方案，由于設備在低點時的自身高度小于升降行程，從而確定采用兩級單作用液壓缸與四根圓柱形導向柱相結合的方案，上升依靠壓力油提升，下降則通過自重來實現，如圖1所示。

圖1 平面圖

四根圓柱形導軌均勻分布在液壓缸周圍，用以保證液壓缸在升降過程中的受力始終保持在豎直方向，從而確保升降過程的平穩。每一根圓柱形導軌仍然是采用兩級的形式來達到設備本身低點高度的限制。在工裝設備支座上固定有軸承座，圓筒形導軌（導軌1）可通過含油軸承1沿軸承座上下滑動，四根圓筒形導軌（導軌1）均裝配固定在同一過渡板上以保證各導軌伸縮一致性，使設備的升降過程協調一致；在圓筒形導軌（導軌1）最上方仍然裝有含油軸承2，固定于液壓缸頂端臺面的圓柱形滑軌（導軌2）可通過含油軸承2沿圓筒形導軌（導軌1）上下滑動，從而完成二級伸縮液壓缸的導向，如圖2所示。

圖2 導軌結構圖

結果在實際生產過程中，按照此結構試制并裝配完成后，試車過程中出現四根滑軌運動不同步的現象：上升過程中左側與右側導軌交替動作，而下降過程通過自重干脆無法實現，需額外增加載荷方可使液壓缸歸位。

2 分析解決

在查詢大量資料后，對出現此問題的可能原因進行總結，得出以下三種可能性的原因：

（1）液壓系統中可能存有空氣，因液壓油中一旦存有空氣，油液剛性則會降低，畢竟空氣可壓縮，從而在運動過程中產生爬行。

（2）吸油濾網堵塞，導致油泵吸空，液壓系統出現空穴狀態，由于油泵輸出流量不足，一時間無法產生推動負載的足夠動力，液壓缸時走時停，于是出現爬行狀態。

（3）活塞與活塞桿同軸度不好，或者液壓缸運動方向與導軌平行度存在較大誤差，從而為運動過程增加大量不必要的阻力，削弱液壓缸輸出力，如果系統本身壓力又不高，無法產生足夠推動負載的力量，此消彼長，也會引起爬行。

在實際操作中，遵循從易到難的原則，首先應從吸油濾網堵塞抓起，仔細檢查了濾油網，并做了清洗工作，然后排除此原因。畢竟是新設備，所有零部件均是經過檢驗的合格產品。

其次為第一點原因，也就是液壓系統中可能存有空氣，因液壓缸本身就有排氣孔，很好解決，再確認油路中不存在氣體后，爬行依舊存在。

此時只可能分析第三點原因了，也就是說液壓缸導向不好。通過增加系統壓力后，上升過程中存在的爬行狀態得到了一定的緩和，但沒有根本解決，并且下降過程還是無法通過設備自重實現，依然需要額外增加載荷。增加負載好說，只需要增加過渡板及頂端臺面的配重即可，可是此時系統壓力已經超出了油缸的最大工作壓力，我們不可能讓設備始終在這樣一種“亞健康”狀態下工作，這會遺留下很多不必要的故障隱患，所以還需另外思考解決方案。

此時，基本上可以確定是液壓缸運動方向與導軌平行度存在差異了，因為上端負載是偏沉的，具體是在液壓缸上端臺面上固定一根橫梁，橫梁伸出臺面約為1400mm。其實最開始的時候就懷疑可能是因為負載偏沉而引起液壓缸爬行，但還是本著從簡到繁的順序一步步排查，希望能夠比較容易的解決此問題。

找到癥結所在后，先是通過增加配重的方式將爬行消除，下降過程也能很流暢實現，但作為一臺專機性質的工裝設備，其美觀及實用性卻大大降低了，客戶也希望我們能盡量通過別的方式來保證升降的平穩。無奈之下，只能繼續想辦法：既然不能增加配重，那就減少負載端的重量，于是將橫梁及橫梁負載端部零部件全部換成鋁合金材料，試驗后情況好轉，然后又將液壓缸固定方式從上端法蘭式安裝改為上下兩端均固定，也就是在液壓缸下端增加固定法蘭盤，爬行情況又有相對好轉。

這時我們又重新制作導向柱，提高導軌配合公差，精加工導向外圓，每一根導向柱都與裝有含油軸承的軸承座配合磨削，以確保在滑動靈活的前提下導軌副之間的間隙達到最小。這個時候問題已經基本解決，在液壓缸升降過程中基本不會出現爬行，只是稍微有些不穩定，反復升降過程中，極個別的時間才會出現問題，然后我們將液壓站工作壓力適當調高，從7MPa調整至8MPa時得到完美解決，達到出廠標準。此設備也得到了用戶滿意的使用評價。

3 總結

通過以上實例，我們可以看出并不是所有的液壓系統故障都是由于液壓系統本身引起的，也有很大可能是因為相配合的機械傳動部分存在缺陷或者這樣那樣的問題，更不一定僅僅通過在液壓系統本身內部實行調整所能夠解決。我們要把整臺設備的機械與液壓看作一個整體，抽絲剝繭進行分析，一步步排除，從而找到導致液壓系統故障的根本原因來解決問題。

另外，在液壓系統設計與制造過程中，在保證滿足設備動作要求的前提下，還必須注意以下幾個很容易被忽略的問題，因為這將可能直接導致整個設計的失敗，簡單歸納就是螺栓強度校核、污染控制、溫度控制、泄露控制以及噪聲控制。

（1）螺栓強度校核。這是液壓系統設計中很容易忽略但又十分必要的問題，尤其是在高壓液壓設備（例如軋鋼機械、沖壓機械等）的設計過程中。缺失了此項校核，可能引起不可估量的后果，因它帶來的不僅僅是設備故障隱患，還會給操作人員埋下巨大的安全隱患。

（2）污染控制。液壓元件失靈和失效的主要原因是液壓油中有污染物，油液中的污染物有各種形態，并來自不同的根源。因此液壓系統的污染控制要針對污染物的根源，對癥下藥地采取有力的措施。

（3）溫度控制。液壓油的工作溫度必須限制，油溫太低則粘度太高，泵吸入困難；拍壓也因流阻大而過高，泵可能過載，密封件和壓力表也可能損壞。相反，液壓油的工作溫度過高則危害更多，它不僅致使油粘度下降，導致泄露顯著增加，容積效率降低；而且加快液壓油氧化速度，使用壽命縮短，同時又會引起潤滑不良、磨損增加、執行機構速度不穩和爬行，甚至元件卡死；此外還會使橡膠密封元件老化。對礦油型液壓油，可在50℃～65℃下連續工作，最高使用溫度在120℃～140℃。

（4）泄漏控制。液壓系統中的油液，理應在液壓元件的容腔或管路內流動或停留，而且不同的容腔往往有不同的壓力。如果油液由于某種原因越過了邊界，流到了它不該去的其他容腔或系統外部，這就是泄漏。從高壓腔到低壓腔的泄漏就是內泄漏，從元件或管路中到外部的泄漏是外泄漏，無論內外泄露都會影響整個液壓系統的穩定性。

（5）噪聲控制。噪聲是一種公害，國家對工業企業或作業場所的噪聲都有一定的限制。液壓系統的主要噪聲源是液壓泵，經過國內多年的努力，液壓泵的噪聲控制已經取得了顯著成效。

最終，液壓系統總成出廠之前，至少要進行清潔度檢查、耐壓試驗和密封試驗、功能試驗等出廠檢驗。功能試驗則主要包括泵運行功能試驗及回路功能試驗等。