ML40A射芯机负载敏感控制系统故障研究

针对ML40A射芯机一下简称ML40A液压系统经常出现的典型故障，利用流体力学动力学公式分析故障原因。射芯机厂家通过分析从理论上找出了驱动电机线路跳闸和液压系统压力衰减的原因并提出解决方案。通过改进提高了控制部分可靠性，延长了控制元件寿命。

液压系统的发展方向越来越趋向于高效、节能、高精度，负载敏感控制是比较先进的一种节能控制。对负载敏感控制系统的研究可有效帮助工程射芯机厂家技术人员进一步提高对这种系统的认识，对熟练维护和使用也能起到积极作用。

1　ML40A负载敏感控制系统

1.1　负载敏感控制系统主要组成和控制原理

ML40负载敏感控制系统，主要由A10VSO71DFR型变量泵、负载敏感压力控制器、负载敏感流量控制器、比例节流阀组、液压缸控制电磁阀、液压缸、卸荷电磁阀、阻尼体1和阻尼体2组成。系统主要参数见表1。

当电磁阀5驱动液压缸6运动时卸荷电磁阀7带电，系统提供液压缸所需压力。在液压缸运行过程中，液压泵只提供负载所需压力和负载敏感流量控制器所需压差。当液压缸到达行程终点或者遇到更大阻力时，其运动速度低于比例节流阀组4设定速度，负载敏感压力控制器2起作用，液压泵压力达到负载敏感压力控制器2设定的高压力值27

MPa。该系统具有高压和低压压差大和节能的特点。在液压缸运动过程中可根据液压缸缸径、驱动压力以及运行速度计算出液压缸所需流量和压力以及对应的电机功率，电机功率的确定就是根据各液压缸的这些参数计算出来的。比例节流阀组4负责控制液压缸所需的各种速度。

1.变量泵　2.负载敏感压力控制器　3.负载敏感流量控制器　4.比例节流阀组　5.液压缸控制电磁阀　6.液压缸

7.卸荷电磁阀　8.阻尼头1　9.阻尼头2

1.2　系统经常出现的故障现象和解决措施

在使用过程中液压系统射芯机厂家主要遇到了两种故障现象。种故障现象是使用一段时间后在机器射砂和吹胺时系统高压力达不到负载敏感压力控制器2设定的27

MPa的设定值。第二种故障现象是液压泵在射砂和吹胺时液压泵虽然能达到负载敏感压力控制器2的设定值27

MPa,但是驱动电机电气控制部分出现了跳闸现象，而且液压泵温度超过了大允许值90℃。

针对种故障分析故障原因有可能是液压泵容积效率下降，或者液压油缸存在严重内泄漏导致工作压力降低，也可能控制油路出现故障导致压力不足。经过排查发现液压泵壳体温度正常，一般在60～70

℃之间，可确定液压泵内泄漏无明显增大，液压缸在高压保压过程中也不存在局部过热的现象，这样排查下来，问题应该出在控制油路上。拆下卸荷电磁阀7后看到阻尼头1、阻尼头2无异常现象，分析应该是卸荷电磁阀7泄漏引起了压力下降。更换新卸荷电磁阀7后调试，系统恢复正常。

针对第二种故障重新启动液压系统运行，还是出现跳闸现象，同时驱动电机电流过大，液压泵有过载现象。现场测量液压泵壳体油温，发现高达95

℃，明显超出允许高值，液压泵出现过热现象。分析液压泵出现故障的可能性很大，而且可能是内泄漏过大所致。更换新的一台液压泵后试车，液压系统恢复正常，确认故障出在液压泵上。

2　针对种液压系统压力不足的现象理论分析

2.1　建立数学模型

由于机器在射砂和吹胺过程中液压系统处于高压保压状态，液压缸所需理论流量为零。负载敏感压力控制器2为锥阀式溢流阀，理论上不存在泄漏。卸荷电磁阀为滑阀结构，存在不可避免的泄漏，阀芯直径为12

mm;负载敏感流量控制器3也为滑阀结构，但阀芯直径为6

mm。卸荷电磁阀7、阻尼体1以及负载敏感流量控制器3弹簧侧的阻尼孔可以一起等效为一个薄壁孔口(由于比例节流阀组4开口量比阻尼体2的开口量大很多，因此阻力可以忽略不考虑)，则控制管路可等效为两串联薄壁节流孔组成的油路，模型如图2所示。

图2中，p为液压泵输出压力，Pa;p1为负载敏感流量控制器受控压力，Pa;T为回油，压力值为0。

l=1mm;d=1mm;D=8.5mm

2.2　分析卸荷阀阀芯磨损量和压力衰减的关系

由于控制管路电磁阀阀孔D=8.5mm,阻尼堵头2孔径为d=1mm,D/d>7，l/d=1，因此该孔口符合薄壁孔结构。

由此可得，当压力因控制管路泄漏而开始下降时的流量计算公式如下：

(1)式中，qv——流量，m3/s

Cd——流量系数;取Cd=0.61

A1——阻尼体2孔口面积，m2

式中，A2——等效薄壁孔口面积，m2

ρ——液压油密度,取0.85×103kg/m3

当负载敏感流量控制器在高压保压状态下由于卸荷电磁阀阀芯磨损，间隙增大，导致等效薄壁孔面积增大刚开始动作时:

Δp=p-p1=1.4MPa

代入数值计算：

27-p1=1.4MPa

得p1=25.6MPa，系统压力维持在负载敏感压力控制器设定的压力值,p=27MPa。

设此时的流量为:qv0

(3)设等效节流孔孔径为:d2

当负载敏感流量控制器动作后由于负载敏感流量控制器的作用使压差一直保持在1.4

MPa不再变化。当卸荷电磁阀由于长时间使用造成阀芯间隙过大时，其对应的等效节流孔面积也会增大，但由于负载敏感流量控制器会使压差和流量稳定在一个数值，p1的数值必然会对应减小，后导致油泵输出压力不断降低，公式如下：

(4)卸荷电磁阀阀芯一定的磨损量对应一定的A2，也对应一定的使用时间。由公式3看出,当负载敏感流量控制器动作时，即p-p1=1.4

MPa,如果A1增大，此时对应的A2也会增大，由此可见，增大A1可显著降低由于卸荷阀磨损而造成的对压力下降的影响。

2.3　改进阻尼体2并验证效果。

根据以上结论适度增大阻尼体2的尺寸，为减少由于孔径过大造成控制油路的振动和稳定性下降可使d的增加为2mm。

由公式(3)计算当负载敏感流量控制器开始动作时，此时对应的A2为0.73×10-6m2。

如果d还是保持原来的1mm大小，由于卸荷电磁阀长时间使用而使阀芯间隙增大，使得等效薄壁节流孔的尺寸达到A2=0.73×10-6

m2，则此时对应的计算公式如下：

(5)经计算p1=3.24MPa，p=p1+1.4=4.64MPa。

由此可见，对于卸荷阀相同的磨损量对应的等效薄壁节流孔,当A2=0.73×10-6m2时，如果保持阻尼体2的直径为1

mm，则系统输出压力只能达到46.4×105Pa,如果阻尼堵2直径增加为2

mm，则系统压力p仍然可以保持原来的压力而不衰减。所以，适当增大阻尼体2的孔径可以很大程度减弱因此而造成的压力衰减。

经过增加阻尼体2的直径为2

mm后卸荷电磁阀的使用寿命确实增加了。原来的卸荷阀使用寿命一般为1年左右，改进后使用2年液压系统未出现由于控制管路的泄漏造成压力衰减。

3　液压泵驱动电机电路跳闸故障分析

液压泵在射砂和吹胺过程中，液压缸所需油量为零，只需供给液压泵和控制管路泄漏所需流量即可(其中液压泵的泄漏是主要因素，控制油路的液压油消耗量根据液压泵的说明书可知为3～4.5

mL/min)。泄漏量和电机功率的对应关系可用以下公式表达：

其中，p——系统压力，p=27MPa

qv——液压泵及控制管路泄漏流量，m3/s

η——电机效率，η=0.85

驱动电机的额定功率为:p=11kW

当机器处于高压保压时，如果内泄漏增大，液压泵负荷达到额定功率时的泄漏量公式计算如下：

计算可得：qv=3.46×10-4m3/s

qv=20.76L/min

由以上公式可以看出，当液压系统的内泄漏达到20.76

L/min时所需的功率就达到了电机的额定功率。由于控制系统的泄漏量波动很小，且不会造成电机过载，因此大的影响因素就是液压泵的内泄漏。如果液压泵由于磨损增大，容积效率下降而导致泄漏量继续增大就会造成驱动电机过载并导致电气控制部分跳闸。

4　结论

(1)ML40A的负载敏感液压系统由于控制管路的泄漏会造成压力衰减，压力衰减的幅度与泄漏量和阻尼体2的孔径大小密切相关。适当增大阻尼体2的孔径可显著降低由于泄漏造成的压力衰减。实际增大阻尼体2的孔径后使用效果良好;

(2)当负载敏感控制液压系统中有高压保压工况且高压保压压力和低压运行压力压差较大时有可能出现由于液压泵内泄漏增大而造成驱动电机过载和电气部分跳闸现象,一般液压泵是否有较大的内泄漏可通过检测液压泵壳体油温初步确定，以上内容由射芯机厂家铸成机械提供。

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