超越負載液壓馬達系統的特殊性分析和安全調試

劉 榛，田海弘

(浙江大豐實業股份有限公司，浙江 余姚 315400)

引言

為了滿足廣大人民群眾對精神文化生活越來越高的需求，近年來，在國內出現大量劇場、多功能綜合體和各類旅游演出場所等，在這些演出場所中，大多都會設置一些用于演出的機械設備，尤其是在帶有水元素的旅游演出場所中，大多會配置一些水中表演的機械設備，水中升降臺是其常見的表演用機械設備之一。由于液壓執行元件較適合布置于水中，水中升降臺常采用液壓系統進行驅動，其一般無平衡配重系統，故液壓系統驅動的負載始終是單向載荷，特別是在升降臺下降時，負載方向與設備運動方向一致，通常將其稱為超越負載或負負載[1-3]，負載產生的系統壓力始終作用于液壓缸或液壓馬達固定的一腔。本研究主要針對采用液壓馬達水中升降臺液壓系統的特點，結合演出對升降臺的安全和性能等要求，通過典型案例詳細分析此類液壓系統的基本構成及其特殊性，并針對在系統調試過程中發現的安全性問題進行綜合分析解決，確保水中升降臺機械機構及其液壓系統運行的穩定性、安全性和可靠性。

1 系統構成及其特殊性

圖1所示是一個典型的水中升降臺液壓系統，已成功用于實際工程項目中，利用柱塞液壓馬達驅動鏈輪的方式，實現鏈條對水中升降臺的提升，其中鏈條采用閉環形式，設備的升降均可通過控制液壓馬達實現。

1.液壓泵 2.溢流閥閥組 3.比例方向閥 4.換向閥5.減壓閥 6.平衡閥 7.安全溢流閥 8.防爆閥9.馬達制動器 10.軸向柱塞馬達 11.升降臺提升鏈輪圖1 水中升降臺液壓系統原理圖

1.1 系統的總體構成

水中升降臺液壓系統主要由液壓馬達回路、平衡控制回路、方向速度控制回路、制動器控制回路和動力源控制回路等構成。

(1) 液壓馬達回路：由軸向柱塞馬達10、防爆閥8以及A和B油路的安全溢流閥7組成。防爆閥是為了防止由于油管突然破裂而引起的升降臺失速，安全溢流閥的作用是當壓力異常增高時，對馬達進行保護；

(2) 平衡控制回路：主要由平衡閥6實現對升降臺下降平衡的控制[4-5]，用來防止因超越負載而引起液壓執行元件的“失控”；

(3) 方向速度控制回路：主要由比例方向閥3實現對升降臺運行方向和速度的控制，升降臺有重復定位精度的要求，故配置有拉線編碼器進行位置檢測，與比例方向閥一同組成一個閉環位置控制[6]回路；

(4) 制動器控制回路：主要由換向閥4、減壓閥5和馬達制動器9組成，配置減壓閥的目的是為了使制動器控制回路與主回路的壓力相匹配；

(5) 動力源控制回路：主要由液壓泵1、單向閥、壓力過濾器和溢流閥閥組2構成，該系統的液壓泵采用變量軸向柱塞泵，溢流閥的選用與升降臺超越負載的特性相適應；

(6) 傳感器檢測系統：由壓力傳感器、油溫傳感器和液位傳感器等構成，其中壓力傳感器設置有4個檢測點，分別監測P，A，B和X油路的壓力，是后續系統調試及控制實現的重要參考依據；

(7) 液壓介質：為了降低對水體可能產生的污染，系統選用了水-乙二醇[7]作為壓力能傳遞的介質，是一種水性液壓介質，安全環保，但也要注意可能對液壓系統帶來的影響。

1.2 元件和回路的特殊性

針對系統執行元件在水環境中工作和載荷為超越負載等情況，系統元件、回路的布置和選擇有其一定的特殊性。

1) 平衡閥位置與系統安全性的綜合考慮

從安全的角度考慮，圖1所示系統的平衡閥最好直接用硬管與馬達A腔油口連接，且兩者盡可能接近以防因軟管爆裂而產生升降臺突然下沉的危險。但在實際工程中，液壓馬達傳動軸與升降臺提升鏈輪11連接且布置于水中，如果平衡閥與馬達油口近距離連接則其也將處于水中，這要求平衡閥要有防腐蝕性能或采用密封防水的設計，這不僅增加成本，降低可靠性，而且還不利于平衡閥的調節和維護。綜上因素，該液壓系統的平衡閥被設置于干區的泵站位置，對于可能發生的因軟管爆裂導致升降臺突然下沉失速的危險，則采用在馬達A腔油口處增設管式防爆閥的方式解決。

2) 升降臺下降運行穩定性和位置保持能力

在升降臺下降時，液壓馬達表現為超越負載的力矩特性，負載力矩成為液壓馬達的驅動力，若液壓馬達回油路(A油路)無壓力，升降臺會因自重產生自行下滑，甚至可能產生超過液壓泵供油流量所提供的轉速的超速運動。在執行元件的回油路設置一定的背壓來平衡超越負載，將對下降的升降臺形成托舉力，防止運動部件的自行下滑和超速，該回路通常被稱為平衡控制回路(平衡回路)。在超越負載狀況下，平衡回路系統易出現 “爬行”現象[8-9]，故根據系統具體工況選擇合適的平衡回路尤其重要，幾種常用類型的平衡回路構成形式及特點如下：

(1) 在回油路上串聯單向節流閥或單向調速閥的平衡回路：在超越負載情況下，形成回油節流而產生背壓，節流閥適用于固定的超越負載，而調速閥不會因負載變化而引起速度變化，所以適用于變化的超越負載；

(2) 在回油路上串聯單向順序閥的平衡回路：單向順序閥的調定壓力須按最大超越負載力來調定，當負載變小時，會造成不必要的能量消耗，適于負載變化不大的場合；

(3) 在回油路上設置液控平衡閥的平衡回路：隨著負載的變化，平衡閥會自動調整閥口的大小，不會產生過平衡或欠平衡，故不會造成不必要能量的消耗。平衡閥是專為平衡回路設計的液壓元件，在變化超越負載的工況下，推薦優先采用，在本研究中就采用了FD系列的液控平衡閥，不僅能自動適應并平衡超越負載的變化，有較高的系統效率，而且還有一定的位置保持能力。

在本研究中，要求停機時升降臺的下沉量不能大于5 mm/h，本系統采用馬達制動器的方式(零下沉)能完全滿足這個要求。但對于一些采用液壓缸驅動的升降臺，無法采用制動器來實現其位置保持，在油缸無內泄的情況下，通常在升降臺下降方向的液壓回油上設置低泄漏液壓元件，其閥口通常是錐閥形式的，如液控單向閥和平衡閥等，采用這種回路時，有以下兩點需要注意：

(1) 在停機狀態下，換向閥的中位機能應能使換向閥與液控單向閥或平衡閥之間的油路與油箱保持連通，通常選Y型中位機能，使液控單向閥或平衡閥[10]的下端回油不產生背壓，以保證其閥口有效關閉；

(2) 液控單向閥應采用外泄式的，否則由于升降臺下降時回油背壓的影響，導致液控單向閥的開啟狀態不穩定，產生下降“爬行”現象，如果有條件，最好液控單向閥的控制油路也能獨立，采用外泄外控式的液控單向閥為最佳。針對本系統的要求，若選用供應商生產的插裝式CB系列平衡閥，其在復位時的最大泄漏量為0.4 mL/min，假設采用了直徑為100 mm的油缸作為執行元件，則理論上其最大下沉量僅為約 3 mm，滿足要求。若升降臺位置保持能力要求很高時，還可以考慮采用無泄漏的電磁球閥。

3) 不同運行階段系統最高壓力的設定

液壓系統的工作壓力是由負載決定的，但系統的最高壓力是由溢流閥或安全閥調定的。本系統中，在升降臺的下降階段，液壓馬達回油腔與進油腔的壓力差形成的扭矩應與升降臺負載(含自重)所產生的力矩相平衡，即如式(1)所示：

(1)

對式(1)進行變換，得：

(2)

式中，p1，p2—— 馬達進油和回油腔壓力

q0，ηm—— 馬達排量和機械效率

F—— 升降臺負載(含自重)

d—— 與馬達軸聯接的提升鏈鏈輪節圓直徑

從式(2)中可以看出，在升降臺下降時，馬達回油腔產生的壓力是由進油腔壓力和負載所產生的壓力兩部分組成，若升降臺在小于額定速度的狀態運行，泵提供的液壓介質除部分進入馬達進油腔外，還有一部分通過溢流閥回到油箱，此時進油路的壓力應是溢流閥的設定開啟壓力，若整個系統僅有1個溢流閥，其設定值應至少大于升降臺上升所需的壓力，在這種情況下，當升降臺下降時，系統的回油壓力將超過溢流閥調定的最大系統壓力值，故對于此類有超越負載的液壓系統，在設備不同運行階段系統應有不同的最高壓力設定值。圖1所示的液壓系統就采用了特殊的溢流閥組，利用電磁閥對上升和下降的最高壓力進行分別設定，上升時的最高壓力設定為13.5 MPa，下降時的最高壓力設定為5.0 MPa。當然還有其他方式可以實現這種分段設定系統的最高壓力，如在B油路增設與主油路溢流閥并聯的另一個溢流閥或采用比例溢流閥等。

4) 系統介質的適用性

由于液壓系統選用的介質為水-乙二醇，該介質對聚氨酯和天然橡膠等材料會產生水解，所以應注意各元件的密封件與水-乙二醇液壓液產生不相容的問題，在選擇元件時應咨詢供應商。在本系統中，所選軸向柱塞馬達常規產品的部分密封件與水-乙二醇液壓液不相容，為了讓其適用于水-乙二醇液壓液的介質環境，出廠前，供應商對部分密封件進行了特殊更換。

2 系統調試出現安全性問題的解決

對圖1所示液壓系統經過初步調試后，升降臺的啟動、停止、上升和下降運行均很穩定，但偶然發現升降臺在長期(超過12 h)停機后再次啟動時，升降臺產生突然失速下沉的現象，這是設備運行的安全性[11]問題，必須足夠重視和徹底解決。發現問題后，技術人員做了大量的測試和調試，最終發現了問題的原因并成功解決。

2.1 分析問題的產生原因

升降臺在運行剛停止，DT3還處于通電狀態時，X油路保持壓力，液壓馬達制動器處于非制動狀態，此時升降臺的位置保持是通過平衡閥封閉馬達A腔的回油路實現。若升降臺需要在某個位置長期停放時，則利用馬達制動器來實現，此時DT3斷電，X油路與油箱接通，作用于制動器上的壓力消失，制動器通過碟形彈簧實現對馬達轉軸的制動。升降臺在長期停機后再啟動時的突然下沉[12]，是在制動器被打開的瞬間產生，通過電氣控制檢測系統得知，在問題發生時，比例方向閥并未打開。在此種情況下，首先懷疑平衡閥有問題，但通過測試驗證平衡閥并無異常。在平衡閥正常的狀況下，如果在馬達的進出口腔內充滿液壓介質，即使液壓馬達制動器被打開，升降臺也不會產生突然下沉的現象，除非液壓介質中存在空氣而導致液壓系統對升降臺控制失效。

通過對上述現象的綜合分析，最終確定升降臺突然下沉的真正原因是：當設備長期停機后，存留在液壓系統介質中的空氣會慢慢集中至系統的最高處，而在實際工程中，液壓馬達正好處在系統的最高位置，此時當集中在馬達內的空氣達到一定量，當制動器打開后，在負載的作用下，液壓馬達開始轉動，但馬達活塞卻只在空氣中做無效的往復運動，無法對液壓介質做功，使液壓介質失去了傳遞壓力能的作用，從而導致了升降臺的失速下沉。

2.2 問題的徹底解決

確定液壓系統中存留的空氣是導致升降臺突然下沉的原因后，現場調試人員對系統進行了排氣處理。升降臺處于水中，液壓站與馬達的距離較遠，經核算，在升降臺的一個完整單向行程中，馬達運行所需的液壓介質容積小于回油管路的容量，即在升降臺的運行過程中，回油路中的液壓介質僅部分回到油箱，這樣可能導致油管中的空氣無法完全從液壓介質中排出。因此現場采用了如下的排氣措施：將A路和B路油管在液壓馬達的進出油口處拆開后互相連接，開啟液壓系統，讓系統中的介質進行足夠的單方向循環，保證系統中原所有的介質都在油箱中得到充分的更換，從而達到空氣完全被排出的目的，在后續將循環后的管路接入液壓馬達之前，要特別注意在液壓馬達中首先注滿液壓介質，以保證在復原后的液壓系統中無存留的空氣。

通過上述排放空氣的操作后，對液壓系統進行測試，升降臺在長期停機后再啟動時的突然下沉現象消失，但實際上，問題并未得到徹底解決，需要全面分析故障[13-14]產生的原因。假設在水-乙二醇中有微小的氣泡溶入，在升降臺運行過程中，這些氣泡會隨介質進入系統，如果升降臺停機的時間足夠長，這些氣泡就有可能從介質中析出并逐漸集中到處于系統最高位的馬達處，這同樣會存在升降臺突然下沉的風險，應徹底解決這個安全隱患。最終，設計人員從壓力檢測和系統控制的角度解決了問題，其整體思路是：在馬達制動器打開之前，需要保證在馬達的A腔和B腔內充滿液壓介質。如圖1所示，在A油路和B油路分別增設了壓力傳感器，在電氣控制程序方面增加了主動充液和壓力檢測的內容，具體如表1所示。

表1 升降臺上升前系統充液檢測時序表

從表1可以看出，序號1和序號2的控制時序，是為了徹底解決升降臺在制動器打開后突然下沉而增加的控制步驟，在調試中經多次嘗試，得到1.2 s的延時對于系統較適合，既保證有足夠的充液時間建立起10 MPa 的壓力，避免介質中可能存在的空氣集中，而且該延時也不會讓操作人員感到升降臺啟動時的明顯滯后。同樣，在升降臺下降前，也需要增加相應的充液檢測步驟，但與上升不同的是，其充液順序相反，即先對馬達B腔充液檢測，然后對A腔充液檢測后，再執行升降臺正常下降的啟動程序，比例電磁鐵按照BDT2—BDT1—BDT2的順序交替動作。

3 結論

針對具有超越負載特性馬達回路液壓系統構成特殊性的分析以及調試時安全性問題解決的實踐，歸納總結對類似液壓系統有一定借鑒意義和參考價值的結論：

(1) 具有超越負載特性的機械設備對液壓系統的平衡性有一定要求，需要特別關注與負載同向設備運行方向上的穩定性，設計時應考慮相應的平衡控制回路的選擇；

(2) 當設備在負載方向運行時，由于超越負載的作用，可能在回油路上產生的背壓會超過系統的最高設定壓力，此時可采用特殊的溢流閥回路，實現分段設定不同的系統最高壓力；

(3) 在類似液壓馬達回路中，應盡量規避將馬達布置于系統的最高處，以避免系統中可能存在的空氣集中在往復式運動的活塞或葉片處而造成液壓馬達失控的風險；

(4) 應充分分析系統可能存在的隱患，特別是涉及到安全的風險，可以通過增加檢測和系統控制的手段解決問題，以徹底避免可能出現的風險。

各類演藝機械設備通常均有運物載人的要求，對其運行穩定性和定位精度等都有較高要求，其安全性能直接涉及到演職人員的安全，所以對相關液壓系統在設計、安裝和調試過程中的安全性應特別關注，其安全性不僅包含液壓系統本身的安全，還應包括其電氣控制系統的安全可靠性。