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液压系统电器结构优化设计方案的提出

2020-03-14 285 上传者：管理员

摘要：现有数控机床液压系统发生各种故障时，没有任何的直接判断手段对其加以改进，因此导致了整个设备的停止运行。基于此，本文提出了一套自我检测的电器线路设计，能够在发生故障时直接通过相应灯光显示给予直观提示，旨在给工作人员进行问题判断和及时修复带来便利，提供参考。

关键词：
拆卸检查
液压系统
电器设计
自我检测
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如果说电线是设备的神经网络，那么液压系统及其管路就是设备的血管，负责向设备各种运动部件提供动力源。液压系统在各种自动化设备当中广泛应用，工厂里每台数控设备几乎都有配备，液压系统稳定运行直接关系到设备完好率。实际运行当中，液压系统一个微小的故障便于造成整个设备停止运行。

目前，设备数控系统、电器线路都设计有自我检测和相应的报警功能，而液压系统出现故障后往往只能通过维修人员观察和手动拆卸检查。当维修人员不在现场，操作人员不具备相关专业知识，大部分设备也只能粗略地提示液压系统故障报警，无法在远程的情况下给维修人员提供有价值的信息，远程指导维修也就无法进行。所以，在设计液压系统时加入相关自我检测线路，故障时给予一定提示会有助于人员了解液压系统状况和故障点，恢复效率将大大提升。

1、液压系统结构、故障分析

1.1 液压系统结构简介

图1是一款较为常见的液压系统，目前大部分数控设备的液压系统其工作原理都大同小异。它们都由液压系统标准的动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件组成，传动介质为液压油。

图1 某液压系统实际图和原理图

图2所示是常见的液压系统，其工作循环原理:当设备需要液压动力时，液压电机控制继电器吸合后液压站电机工作，带动泵体向液压管路传递压力。管路中的压力检测开关负责实时压力检测，当检测到压力值超过设置范围时，便会反馈相应信号回设备电器线路，电器线路断开控制继电器停止液压电机运转。

图2 设备与液压系统工作关系

实际在设备的设计中，液压压力几乎是在设备运行时始终保持，这是因为液压驱动部件在设备上诸多应用，运行时有许多部件时刻处于准备运行的状态，如果频繁操作这些部件会导致液压电机频繁启停，势必造成电机磨损严重和使用寿命缩短;而频繁由零压力启动液压，液压管路内部将会承受更多瞬时压力冲击，其峰值可超过工作压力的几倍，管道发生破裂泄漏、液压元件损坏概率将大大增加。因此，设备设计者在设计液压系统工作模式时，往往将液压压力值保持在一定范围内，低于压力值下限时液压站工作进行加压操作，高于压力值上限时液压站停止工作。

这样可以减少设备有液压需求时液压电机工作频率，管路内始终有压力存在也使液压工作效率较高。同时，液压系统内设计储能装置，抵消运行过程中的液压冲击并存储一定压力能量，使得整个液压供应更为平稳顺畅。

1.2 液压系统故障分析

液压系统采用液压油作为能量传输介质，因此液压系统大部分故障都围绕这个过程发生。作者将液压系统故障分为下列几种情形:

(1) 工作温度过高

液压传输通过一系列管道到达液压部件，管道在设备中蜿蜒连绵。随着使用年限的增加，机械变形、碰撞、密封失效、元器件损坏等诸多原因会使管道或接头不可避免地产生泄漏，造成整个液压管路保压能力下降;管道中因为密封不严，维修、加油过程中可能进入空气、水分助长热的产生;另外，液压泵自身也是热源大户，机械摩擦和油品搅动都会产生大量热能^[1]。液压系统保压能力差会使液压泵频繁启停以维持压力值在设定范围。

泵体启动频繁的直接负面效应是使液压油温度上升，而温度上升又会加速液压油变质，油品物理特性发生改变，如表1所示:液压油在高温下黏度急剧下降，原先一定黏稠度的油品像水一样，无法有效传递动能，整个液压管道无法达到预先设定压力，增压泵体不间断工作不间断制造热量，这是一个恶性循环。

表1 32号液压油物理特性^[2]

(2) 液压油污染

液压油污染是液压系统最为致命的环节。污染源可能来自管道密封不严、维修拆卸过程和金属管道、部件内壁氧化、腐蚀、化学反应产生金属细屑脱落混入液压油。整个液压系统中包括增压泵、液压缸、电磁阀、单向阀、溢流阀等一系列部件，这些部件拥有极其精密的配合，元件内部运动部件和腔体之间的间隙小于0．02mm^[3]，液压油当中残留任何细小的杂质都会非常容易造成机械磨损和损伤;有部分元器件内部有细小的孔洞，杂质很容易在这些孔洞中堆积堵塞，使这些元器件失效无法使用，液压无法传动或传动效率低下，设备机械部件动作变得缓慢。所以，液压油的干净对于整个液压系统平稳运行有着非常大的影响。

(3) 液压系统元件故障

液压系统的启动控制由压力检测开关检测压力值并判断压力是否在设定范围后将电信号反馈至设备控制电路，控制电路再根据电信号决定液压系统控制继电器是否工作向泵体电机输送电能，压力检测开关直接决定泵体启停。压力检测开关故障后错误检测压力值，实际压力值与所需压力值不相匹配，造成液压元件工作异常或者根本无法工作。

整个液压管道上设计有许多溢流阀、单向阀、手动泄压阀，各种阀门的设计都是控制液压管路内部压力处于合理范围内。溢流阀会在管道压力过大时执行泄压动作;单向阀用于保证阀以后管道内压力;手动泄压阀用于检修设备时释放管道压力。阀故障最常见形式表现为泄压，在需要保持压力时无法保持造成泵体连续工作引发故障一系列连锁反应。

液压系统中设计有储能罐，用于吸收液压元件工作中的液压冲击力和液压泵体工作瞬时压力峰值，同时减缓整个系统压力值波动，有的时候作为紧急动力元件使用。储能罐的失效，会使系统压力波动较大，液压冲击会使元件工作振动较大，冲击力较大时会损伤元件;失效还会造成管路保压能力下降，液压泵启停会更加频繁。液压系统管道分布众多、油品变质不易发现、元件安装紧凑等一系列原因使系统故障不易发现，检修难度增大。为此，在系统电器上设计一套自我检测电路并将检测到的故障以直观的形式表现出来将有助于故障的发现和维修速度，例如，通过指示灯报警。

2、液压系统电器设计

2.1 现阶段液压系统普遍电器设计及其缺陷

图3所示是目前较为常见的液压站与设备电器连接方式。设备电器线路中有一个控制继电器连接液压系统泵体电机。当设备启动时液压系统同时启动，控制电路向继电器线圈输出启动电压，泵体电机工作向设备提供液压。

图3 当前液压系统电器示意图

液压管路中安装有压力控制检测开关，该检测开关接收来自设备控制电路发送的检测信号(24V电压)，当检测到压力值达到开关设置的上限值时，开关将检测信号再返还至控制电路高压信号接受点位，控制电路停止向继电器线圈输出电压，泵体停止工作。此时，液压管道会因无压力源而释放压力。当压力值低于检测开关设置的压力下限值时，检测开关将检测信号返还至控制电路另一低压信号检测点位。控制电路接收信号后向继电器线圈输出电压，继电器工作后液压泵体启动继续向液压管道输出压力。这种工作方式一直循环。

为了避免液压油不足造成的泵体空转和向管道中注入空气的情况，液压系统设计有液位检测开关。设备控制电路向液位检测开关发射检测信号，液位较低时，开关将反馈信号回控制电路，接收到该信号后，控制电路会将相应报警信息发送至人机交互界面以提示操作人员补充液压油。经过笔者生产现场观察和与维修人员的交流中发现，目前这种电器设计在实际应用当中存在以下缺陷:高温无报警。因环境温度较高、泵体连续工作、油品混入异物等一系列原因引起的整个液压泵站处于不合理高温。

液压回流引起的泵体连续工作。因维护缺失未及时更换过滤器或液压介质中存在大量杂质堵塞过滤器，引起管道压力过高超过溢流阀保护压力引起泄压动作;溢流阀设置不合理或手动泄压阀未完全关闭，阀体损坏等原因引起压力回流至油槽。液压管路保压故障造成泵体超常规工作。液压部件管道存在泄漏造成整个液压循环回路保压能力欠佳，很难将压力值保持在设定范围内或是加压时花费较长时间推压至设定值，此类情况对液压系统损伤最为严重。

外部极端情况。压力检测开关故障反馈错误信号、控制继电器触点损坏造成触点无法断开，这些罕见的故障会致使液压系统错误动作造成不可预料的后果。笔者所在的生产现场发生过继电器触点烧死无法脱开液压泵持续工作、增压泵体齿轮和腔体严重磨损报废的故障。极端情况故障虽然罕见，一旦发生势必带来严重损坏。针对上述缺陷，重新设计液压系统电器线路，增加一些防错设计和相应错误提示，必要时以蜂鸣器形式提示操作人员。

2.2 液压系统电器设计

根据实际情况，将下列功能加入至电路线路中。

(1) 在液压站出端加入超低压和超高压压力传感器。超低压设定检测压力值低于压力控制检测开关低压值;超高压设定检测压力值略微大于溢流阀设定压力值。设定超低压是为了在出现严重液压泄漏、阀故障、泵体内部故障等使泵连续工作都无法达到设备工作压力的情况下避免泵体无法停止而过度磨损;设定超高压是为压力过高的电器保险。溢流阀的压力值设定会高于压力控制器高压设定值较大一部分，其压力设定考虑整个液压管路所能承受压力的极限，当压力接近这个极限时也说明液压站工作有异常情况，所以有必要对异常高的压力值进行检测。

(2) 加入7个指示灯，分别对应24V电源、液位低、油温高、过滤器堵塞、泵体电机运行指示、压力超低压、压力超高压7种状态异常指示，其中除电机运行状态以外，其他状态异常时还将触发蜂鸣器报警，蜂鸣器设置开关可关闭。异常状态控制继电器引出额外接口，为部分设备控制电路检测液压系统额外信号提供对应接口。

(3) 加入液压油液位低时电机停止运转保护。液压油缺乏致使电机泵体空转危害巨大，泵体机械磨损和管道进入空气都会使后续维修工作极其麻烦，所以，必须严格控制空转现象发生。电器原理图设计如图4所示。

图4 液压系统电器原理图

2.3 电器工作原理

液压系统额外提供24V电源作为电器元件电源来源。

电机启动。油泵电机接受来自控制继电器的电源，在该线路上设置继电器KM0控制油泵电机工作。KM0继电器线圈回路受中间继电器KA7控制，继电器KA7线圈受继电器KA1控制，KA1为液位低控制继电器，油槽液压油不足时电器则无法启动。在继电器KM0线圈两端接入KL4指示灯，油泵电机工作时指示灯亮，便于人员观察液压系统工作状态。报警机制:

(1) 液位检测开关FX1接通触发中间继电器KA1动作，KA1并联故障指示灯HL1亮起，KA1动作则带动继电器KA11动作;

(2) 温度检测开关FX2接通触发继电器KA2动作，KA2并联故障指示灯HL2亮起;

(3) 过滤器堵塞检测开关(通常为压差检测)FX3接通触发继电器KA3动作，KA3并联故障指示灯HL3亮起;

(4) 压力检测开关FX5在压力处于正常值时为断开状态，当压力过低时，FX5接通，时间继电器KT接通动作，KT常开触点延时接通继电器KA5，KA5并联故障指示灯HL5亮起。设置延时接通是为了给液压泵体一定工作时间尝试对管路补压，如果在时间继电器设置的延时接通时间内管道压力还未到达设定值，则判定为液压泵体有故障;

(5) 压力检测开关FX6接通触发继电器KA6动作，KA6并联故障指示灯HL6亮起。

继电器KA11、KA2、KA3、KA5、KA6、KA7提供一组常开触点作为设备控制电路信号反馈触点使用，如果某些设备控制电路只接受液压系统一个好坏信号，则可以将这些信号反馈触点全部串联后再反馈回设备。

2.4 对于液压站的其他构想

可编程逻辑控制器(PLC)在现代已经是一种发展成熟的技术了，它是一种数字运算操作的电子装置，在设备控制方面广泛应用。PLC模块运行稳定，故障率极其低，占用空间小，修改方便，比传统电器控制线路具有不可比拟的优势。如果将PLC模块应用到文中液压系统控制电路上将会极大简化电器线路，还可缩小电器箱的体积，但成本会有所上升。以市面现有PLC模块价格来看，成本相对于传统电器线路约有1000元的增长。

在控制液压系统温度方面，可在液压油槽增设油冷机接口以便外部接入油冷机，油槽内部使用隔板将油冷机进油口和出油口隔离开。如果设备工作环境恶劣，环境温度本身较高或者设备对液压稳定要求较高，可采取此种策略。这样可以进一步降低液压系统温度，保证运行稳定。

3、结论

文中所论述电器结构优化设计方案可在现行液压系统上直接进行使用。由于大量改造工作属于外加电器元件和线路，对于液压系统自身元部件改动仅涉及过滤装置更换为带电控信号反馈的过滤器，其余机械部分基本不需要较大改动，方便维修人员根据实际情况进行优化。笔者对所在工厂液压系统电器优化改进后运行良好。

参考文献:

[1]徐维玲.液压油温度过高的危害及常见原因分析[C]//第十三届全国机械设计年会论文集.南平,2007:5-8.

[2]贾永峰.基于并联机构的液压系统优化改进[J].制造技术与机床,2013(9):132-138.

[3]张晓光,林财兴,谢甘第.液压系统故障诊断方法研究[C]//2010航空试验测试技术学术交流会论文集,2010.

赵童力,李维亮,贾永峰.液压系统的电器优化设计[J].机床与液压,2019,47(20):78-82.