基于FliudSIM的數控車床液壓卡盤故障診斷與排除

曾 敏

（山西職業技術學院 機電工程系，太原 030006）

我國的數控車床經歷了萌生、起步、推廣以及普及階段，已經得到廣泛應用，逐漸成為裝備制造業的主要加工設備。山西省擁有許多裝備制造企業、液壓設備制造企業和紡機制造企業，其制造裝備均采用了大量的數控機床。目前，數控車床是數控機床中應用最廣泛的機床之一。數控車床是集機械、液壓和電氣于一體的機床，故障種類多樣，導致數控車床的維護和維修成為裝備制造企業面臨的一大難題。其中，液壓系統故障較常見，但較難發現故障原因，排除故障費時費力[1]。基于液壓仿真軟件FliudSIM，分析數控車床液壓卡盤常見的故障診斷和排除方法。

1 數控車床卡盤類型

數控車床卡盤是夾持工件的重要裝置，主要安裝于車床主軸，通過主軸旋轉帶動卡盤轉動以實現切削作用。數控車床卡盤從結構上可分為二爪、三爪、四爪、六爪和八爪。二爪一般在精車、磨削及分度頭銑削時使用；三爪可實現自動定心功能，夾持范圍大且裝夾快；四爪一般夾持方形或異形工件，防止工件變形；六爪和八爪主要夾持薄壁工件，以增大接觸面積，防止工件變形。從動力上，它可分為液壓卡盤、氣壓卡盤和手動卡盤。液壓卡盤夾持力大、裝夾快、操作方便簡單以及生產效率高。氣壓卡盤夾持力低，但遇斷電時可保持一定的壓力；手動卡盤通過扳手實現工件裝夾，適合一些毛坯料的粗加工。目前，液壓三爪卡盤的使用最普遍，具有較高的性價比[2]。

2 液壓卡盤的工作原理

液壓卡盤液壓系統的原理圖，如圖1所示。它由定量液壓泵、直動式順序閥、二位四通電磁換向閥、三位四通換向閥以及單桿雙作用缸固式液壓缸組成。當液壓缸液壓桿伸出時為卡盤夾緊狀態，當液壓桿縮回時為卡盤松開狀態[3]。

2.1 卡盤夾緊

卡盤夾緊過程中，進油路的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YB1通電）→三位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YA1通電）→液壓缸左腔→液壓桿伸出。

卡盤夾緊過程中，回油路的工作流程：液壓缸右腔→三位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YA1通電）→油箱。

2.2 卡盤松開

卡盤松開過程中，進油路的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥左位（電磁鐵YB1通電）→三位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YA2通電）→液壓缸右腔→液壓桿縮回。

卡盤松開過程中，回油路的工作流程：液壓缸右腔→三位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YA2通電）→油箱。

2.3 泵卸荷

泵卸荷的工作流程：油箱→液壓泵→直動式順序閥→二位四通電磁換向閥右位（電磁鐵YB1斷電）→油箱。

3 液壓卡盤未夾緊故障的診斷與排除方法

3.1 液壓系統故障診斷方法

使用液壓設備一段時間后需要開展定期維修，但是液壓系統是密閉系統，檢修時不允許全部拆卸系統所有元件來檢查與維修，應根據故障出現的現象診斷其產生的原因，且要求既快又準，以便于及時高效排除故障[4]。常用的故障診斷方法包括澆注油液法、直觀檢查診斷法、對比替換法、邏輯分析法、專家診斷法及智能診斷法。

3.1.1 澆注油液法

澆注油液法是指對可能出現故障的進氣部位澆注油液，尋找進氣口的方法[5]。

3.1.2 直觀檢查診斷法

直觀檢查診斷法是指檢修人員憑借人的觸、視、聽、嗅、閱和問來判斷液壓系統故障的方法。觸是指摸溫度、摸振動、摸爬行和摸松緊度。視是指檢修人員運用人的視覺判斷液壓系統無力、系統不平穩、油液泄漏以及油液變色等故障的方法，即看速度、看壓力、看油液、看泄漏、看振動和看產品“六看”。聽是指檢修人員運用人的聽覺判斷液壓系統振動噪聲過大等故障的方法，即聽噪聲、聽沖擊和聽異常聲音（氣穴、困油等現象發出的異常音）“三聽”。嗅是指檢修人員運用人的嗅覺判斷液壓系統油液變質、系統發熱等故障的方法。閱是指查閱有關故障的分析、修理記錄、日檢卡、定檢卡以及維修保養卡等。問是指查問設備操作人員，了解設備運行情況，主要包括問液壓泵工作是否正常、問液壓油更換時間和濾油器清洗更換時間、問事故發生前是否調節過壓力閥或流量閥或出現異常、問事故發生前是否更換過液壓元件、問事故發生后系統出現哪些不正常現象以及問過去發生的事故是如何排除的。

3.1.3 對比替換法

對比替換法是指用一臺與故障設備相同的合格設備或試驗臺進行對比試驗，將可疑元件替換為合格元件。若故障設備能正常工作，則查找到故障；若故障設備繼續出現原有故障，則未查找到故障。使用同樣方法逐項循環查找故障，直到查找到故障位置。

3.1.4 邏輯分析法

邏輯分析法是指根據液壓系統的基本原理進行邏輯分析，排查故障發生的原因，逐步逼近直至找出故障發生部位的方法。

3.1.5 專家診斷法

專家診斷法是指在知識庫中存放各種故障現象、原因、原因與現象之間的關系。若系統發生故障，則將故障現象輸入計算機，再由計算機判斷故障原因，進而提出維修或預防措施的方法。

3.1.6 智能診斷法

智能診斷法是采用雙向聯想記憶模型儲存變元客體之間的因果關系，處理不精確、矛盾甚至錯誤數據來提高專家系統診斷智能水平的一種方法。

3.2 液壓系統常見故障

3.2.1 調試階段常見故障

調試階段的常見故障主要包括外泄漏嚴重，執行元件運動速度不平穩，閥類元件閥芯卡死和運動不靈活，未裝彈簧導致執行元件動作失靈，壓力控制閥阻尼孔堵塞引起控制壓力不穩定甚至出現壓力失控的情況，系統設計不完善等。

3.2.2 運行初期常見故障

運行初期的常見故障主要包括管接頭松動，密封質量差造成油液泄漏，污染物堵塞閥口造成壓力和速度不穩定，油溫過高或泄漏嚴重導致壓力和速度變化。

3.2.3 運行中期常見故障

運行中期屬于正常磨損階段，故障發生率較低，主要故障表現為油液污染。

3.2.4 運行后期常見故障

運行后期常見故障主要包括元件失效和油液泄漏嚴重，導致效率較低。

3.2.5 運行突發故障

運行突發故障主要包括彈簧突然折斷、管道破裂、密封件撕裂以及錯誤操作工作程序等方面，多發生在液壓設備運行初期和后期。

3.3 液壓卡盤未夾緊故障的診斷與排除方法

3.3.1 故障現象

數控車床控制界面出現報警信號，即卡盤未夾緊，禁止轉動主軸。

3.3.2 故障診斷方法

（1）采用直觀檢查診斷法進行初診。①望診：液壓卡盤無速度、不執行夾緊工作；液壓泵出口壓力表有讀數；油箱油量高于油標、液壓油黏度符合要求；各接頭、閥板接合面、油缸以及油泵等沒有出現滲漏現象；工作臺和油管工作時沒有發生跳動現象。②聞診：噪聲，即油泵、液壓系統工作時噪聲不大；沖擊聲，即聽不到油缸換向時的沖擊聲，換向閥換向時未聽到嚴重撞擊聲；氣蝕聲，即未聽到油泵發出氣蝕聲；敲打聲，即油泵運轉時聲音正常；未聞到因液壓油發臭、變質及橡膠件過熱而發出的特殊氣味。③問診（詢問操作人員）：更換同品牌和同黏度的液壓油，清潔過濾器濾網；發生事故前未調節該液壓系統中各類閥的壓力；發生事故前未發現液壓元件出現漏油現象，密封良好；發生事故前，該液壓系統一直正常工作；一般先排除機床電氣控制方面的故障。④切診（用手摸）：油泵、閥和油管的溫度屬于正常范圍；油泵、閥和油管無振動；連接、固定、操縱、調節部位螺母以及螺栓連接正常，無松動現象。

（2）再次診斷。根據初診結果，再次判斷故障產生的原因是液壓回路問題還是電路問題。操作數控車床控制面板觀察電磁換向閥的指示燈是否正常交換。若通過操作控制面板發現電磁換向閥的指示燈可以正常交換，說明該液壓回路的電控部分工作正常。

（3）模擬仿真。基于兩次診斷結果，利用FluidSIM液壓仿真軟件模擬液壓卡盤液壓回路工作過程，進一步判斷該液壓回路故障可能產生的原因。FluidSIM是集電氣-液壓（氣壓）回路繪制及相應液壓、氣壓系統實際工作過程仿真的軟件。液壓回路設計完成后可以運用該軟件驗證設計的正確性，并演示回路的動作過程，同時提高對電氣-液壓（氣壓）回路的認識和實際故障的判斷能力。

通過模擬仿真可以發現，該液壓回路故障原因可能與液壓缸動作失常、電磁換向閥不換向、溢流閥壓強調節太低、柱塞泵壓強過低或無壓強等故障有關。根據模擬仿真中觀察的故障現象梳理產生故障的可能原因，主要包括：液壓泵壓強不足，即液壓泵轉向錯誤、泵內零件磨損、油面太低以及管路密封不嚴等；溢流閥壓強調節太低，即彈簧疲勞變形、滑閥在開口位置卡死、密封不嚴以及阻尼孔堵塞等；電磁換向閥不換向，即電磁鐵吸不緊、閥芯卡住、彈簧損壞、閥體磨損以及油液黏度大等；液壓缸動作失常，即液壓缸零部件加工精度低、液壓缸剛度低、液壓缸內泄露以及液壓缸安裝位置不當等。

3.3.3 故障排除

基于模擬仿真，利用梳理的故障原因魚骨圖進行逐一排除。按下機床啟動按鈕，液壓泵出口壓強為6 MPa，溢流閥出口壓強也為6 MPa，排除溢流閥壓強調節太低的故障。雖然電磁換向閥的指示燈可以正常交換，但是否可以正常換向需要進一步拆裝檢測換向閥。

該回路中共有兩個電磁換向閥，分別為二位四通電磁換向閥和三位四通電磁換向閥。模擬仿真中可以看到，液壓油先經過二位四通電磁換向閥再經過三位四通電磁換向閥，最后到達液壓缸推動液壓卡盤工作。兩個電磁換向閥只要有一個不能正常換向，液壓缸就不能正常工作。

電磁換向閥由閥芯、閥體、頂桿、彈簧以及控制閥芯運動的電磁鐵組成。換向閥的作用是利用閥芯和閥體的相對工作位置改變，使得油路接通、斷開或變換油液流動方向。二位即閥芯可以運動2個位置，三位即閥芯可以運動3個位置（含1個停止位）。當電磁鐵通電時，電磁力推動頂桿和閥芯移動實現換向。

當拆裝三位四通電磁換向閥時，發現電磁鐵通電時電磁力可以推動頂桿動作，但是頂桿不能推動閥芯運動，閥芯卡在閥體里不動作，清理閥芯周圍的污物后閥芯仍未動作。考慮閥芯或閥體磨損嚴重，配合精度降低，隨即更換一個同型號的電磁換向閥，重新啟動機床后液壓卡盤可以正常工作，至此排除該故障，數控車床控制界面未出現報警信號。

4 結語

機床由機械傳動裝置、電氣控制部分和液壓控制部分等組成。液壓系統故障在機床故障中占14%，但液壓系統控制機床的主要部件運動屬于機床的主要部分，因此即便小故障也會影響機床運轉，進而影響機床的工作性能，可見液壓系統的維修非常重要。

液壓系統故障經常與機械和電氣控制部分的故障交織，給故障診斷和排除帶來了很多困難。換向閥閥芯卡死導致執行元件不能換向，屬于液壓系統故障中的偶然事件，且沒有規律可循。當該故障出現時，不一定能夠快速確定故障的部位和產生原因。考慮到工作人員不熟悉該設備情況，因而查找原因更加困難。文章利用FliudSIM仿真軟件輔助工作人員診斷和排除故障，提高了故障排除的效率和精準度，可為今后液壓系統故障排除提供新思路。