混凝土输送泵外控先导式顺序阀的工作原理及故障诊断及排除

2023-09-20 理论教育版权反馈

【摘要】：单向阀后的回路称保压回路。本节对该阀的结构特点、工作原理、开启特性及常见的故障现象进行分析。此处顺序阀压力是在低流量工况下设定的，此时主液压泵排量较小。因外控油压的作用，先导阀芯一直处于完全开启状态。经改进设计后，现均采用了第一种情形的先导阀。故障诊断与排除如下：1）先导阀阀芯被异物卡死，先导阀始终处于开启状态。应清除先导阀阀芯内的异物。

日本IHI公司的混凝土输送泵（车）的泵送液压系统，在其非独立动力源的混凝土闸阀顺序动作液压回路中，为确保闸阀液压缸优先于主液压缸而动作，在系统中设置了外控先导式顺序阀。该回路由顺序阀、含单向阀的减压阀、蓄能器及其他元件组成。单向阀后的回路称保压回路。在主液压缸换向运行前，需对保压回路进行充压、储能，以便闸阀液压缸在换向时带动闸板于瞬间内迅速换向到位。本节对该阀的结构特点、工作原理、开启特性及常见的故障现象进行分析。

1.结构特点及工作原理

顺序阀的结构原理图如图7-20所示。它是由主阀和外控先导阀两部分组成，主阀由主阀芯1、主弹簧2及大阀体8等组成；而先导阀实质上是一个小流量直动式带外控的溢流阀，通过辅助板7及电磁阀6来实现外控油压的控制。其局部液压系统原理（机能符号）如图7-21所示。其工作原理是主系统工作时，外控油路上的电磁阀6也同时得电工作。在主油压p_O未升高到使先导阀（十字）阀芯4开启前，阀内无油液流动，主阀芯阻尼孔前、后腔（就流向而言，下同）及先导阀芯的前腔压力相等，即p_C=p_O。因减压阀设定压力为21MPa，故此时p_C=p_K，导控活塞3受两端相等的压力作用，主阀芯力平衡方程式为

p_OS_O=p_CS_C+F_sp （7-2）

图7-20 顺序阀的结构原理图

1—主阀芯 2—主弹簧 3—导控活塞 4—先导阀（十字）阀芯 5—先导阀弹簧 6—电磁阀 7—辅助板 8—大阀体 9—阻尼孔（螺塞）

图7-21 液压系统原理图（机能符号）

1—外控先导式顺序阀 2—含单向（保压）阀的减压阀 3—蓄能器

式中 S_O、S_C——主阀芯前、后腔有效受压面积；

p_O、p_C——主阀芯前、后腔压力；

F_sp——主弹簧的预压缩力。

当系统压力达到先导阀开启压力久时，即先导阀芯受p_C作用而开启时，主阀芯阻尼孔前、后腔油液开始流动，并通过主阀芯，先导阀体上的两处φ1.8mm阻尼孔经先导阀芯流回油箱。先导阀体上的阻尼孔是为提高先导阀的工作稳定性、缓和冲击、吸振而设定的，当然，对主阀芯开启也有影响。因阻尼孔节流作用，油液流经小孔时产生了压力损失，即有p_O-p_C＞0；当系统压力升高到p_O-p_C=Δp达到一定值时，式（7-2）变为

p_OS_O-p_CS_C≥F_sp （7-3）

此时，主阀芯开启，油液开始流入主通路。随着系统压力的继续升高，通过阻尼孔的流量增大，压差值也增大，主阀芯开启度相应增大，直到系统压力升高到阀的调定压力p_r（10.5MPa）时，系统额定流量全部通过顺序阀流入主通路。

此处顺序阀压力是在低流量工况下设定的，此时主液压泵排量较小。因外控油压的作用，先导阀芯一直处于完全开启状态。在某一主压力p_O（也就是存在主阀芯前、后腔压差）的作用下，主阀芯也一直处于完全开启状态，故系统工作时，无论是否有负载存在，主压表上显示的油压值都包含维持主阀芯处于完全开启状态的这一压力。理论上可令p₁=0，且阻尼孔长/径（L/d）≈2，故利用小孔流量公式，求得Δp=q²_Vρ/2（C_qA）²。又因为Δp=p_O-p_C，p_C=p_O-Δp，代入式（7-2），经整理得到维持主阀芯处于完全开启状态的理论压力p_O′为

p′_O=p_O=[q²_Vρ/[2（C_q/A）2]-F_sp]/（S_C-S_O）（7-4）

式中 q_V——调压工况排量下主阀芯阻尼孔流量（m³/s）；

C_q——流量系数，此处C_q≈0.82；

A——孔的通流截面积（m²）；

ρ——油液密度（kg/m³）。

实际上，在图7-21的D点处，使用量程为0～25MPa、精度0.4的压力表，不计管道压力损失，测出主系统压力再减去主液压缸运行的油压，即为此压力。从式（7-4）中不难发现，维持主阀芯处于完全开启状态的此压力，在结构确定后，只随小孔流量（也可说系统排量）的变化而变化。实测结果一般在0.8～1.0MPa，此压力越小越好，以降低无用功耗。

2.外控作用对顺序阀工作的影响

由上述分析可知，外控油压是通过施加在导控活塞上的作用力来顶推先导阀阀芯的，故导控活塞直径d_导的大小直接影响顶推作用力；当调定好先导阀弹簧的作用力时，d_导与p_K成反比。于是，主液压缸换向顺序阀开启时的表压直观上存在以下两种情形：

1）d_导较小时（见图7-22a），保压回路因其使闸阀液压缸优先于主液压缸换向，同时p_K经节流塞后使得保压值p₃某瞬间降低到p₂，不足以单独顶推开先导阀阀芯时，先导阀关闭，主阀芯也迅速随之关闭。要使已换了向的主液压缸进油运行，必须使主系统压力再次升高到顺序阀开启设定的压力，主阀芯才开启，液压缸才运行。在主压力升高的同时，主液压泵又对保压回路进行了一次充压、蓄能。充压值p₃略大于顺序阀的开启设定油压值p_τ。利用伯努利方程，可求得p₃理论值为

式中 v₁——主压力是p_τ时充压油液进入保压回路的流速。

此蓄能压用于闸阀液压缸下一次切换闸板时所需的集中能量及在主液压缸运行时作为外控油压维持导阀芯始终处于开启状态。

图7-22 主油压、外控油压波动曲线图

a）导控活塞直径d_导较小

b）导控活塞直径d_导较大

2）d_导较大时（见图7-22b），保压回路因其使闸阀液压缸换向，同时经节流塞后的任一时刻保压值p_K与d_导面积之积所产生的作用力，仍能单独顶推开先导阀阀芯，使之处于完全开启状态，则在主液压缸四通阀换向前后，主阀芯一直处于开启状态。此时，主压表上显示的换向压力p′，即为主液压缸行程到位且主四通阀换向过渡时的瞬间，主系统油压升高的压力。此压力的高低反应出主系统中主四通阀换向响应的时间多少。此时，液压泵不必对保压回路充压。此类换向情形，在系统负载压力小于10.5MPa时，设计要求只许保持一次；但当负载压力高于10.25MPa时，可维持多次。

显然，低负载泵送时，第二种闸阀顺序动作回路的顺序动作不如第一种可靠而有力。经改进设计后，现均采用了第一种情形的先导阀。它们的主、外控油压空载工况下波动曲线如图7-22所示，其中的p₀是系统空载运行时的主油压表值。

3.常见故障与排除

（1）故障现象1无法设定顺序阀的调定压力。

故障诊断与排除如下：

1）先导阀阀芯被异物卡死，先导阀始终处于开启状态。应清除先导阀阀芯内的异物。

2）主阀芯孔或主阀芯圆度误差超差，被卡满后无法回位，主阀芯始终处于常开状态。结果也会使主系统无法对闸阀回路进行充压，导致闸阀无动作或动作无力。应纠正偏差。

（2）故障现象2 顺序阀无法开启或开启压力偏高。

故障诊断与排除如下：

1）主阀芯阻尼孔被打掉或孔径较大，造成主阀芯前后腔无压差存在，或虽有压差，但必须使主油压升高较大后才能获得。应调整主阀芯阻尼孔。

2）当主阀芯后腔以后的油路较堵或不畅时，这些都将导致该阀无法开启或开启压力偏高。应查找堵塞的原因并进行排除。

（3）故障现象3顺序阀开启后，主压力在主液压缸空载运行时，仍维持或大于开启压力。

故障诊断与排除如下：