液压泵液压系统爬行有何特征?如何排除?
- 作者:中国液压网
- 时间:2010-12-30
- 阅读:79
爬行是液压传动中经常出现的不正常运动状态,轻微时出现目光不易察觉的振动,严重时将出现大距离的跳动。
液压传动中的爬行现象是很有害的,特别是在磨床液压系统中,执行机构出现爬行,就不能磨削出合格工件。例如,磨床工作台产生爬行时,被磨工件表面粗糙度高;另外,像坐标镗床对工作位置要求很髙的机床产生爬行,很难实现精确定位。因此,消除爬行现象对于改善液压系统稳定性和提高机床加工精度是非常重要的。
爬行现象一般发生在低速运动,在实际运动中,产生爬行多半与载荷大小、滑动表面的面压、别劲以及供油状况等问题有关。出现爬行现象时,除了应査明液压油本身问题外,还必须对其外部条件加以词査研究,以便进行综合分析。
(1)液压缸阻力过大
液压缸阻力过大俗称别劲,它是液压缸产生爬行现象主要原因之一。下面对液压缸阻力过大的原因进行分析。
①由于装配不当,引起液压缸别劲液压缸装配不当很容易造成别劲,因此液压缸装配时,应严格执行装配工艺要求。液压缸装配后,活塞、活塞杆运动时,不应受弯、扭力的作用,密封摩擦阻力适宜,润滑条件良好等。
② 因载荷反作用力使液压缸歪斜,引起别劲这种情况是液压缸工作时产生的别劲现象。无载荷时,多数场合检查不出来。带地脚的液压缸,因安装地脚刚性不足,引起的挠性变形就是属于这种情况。
检测方法是:在液压缸与载荷之间,连接牵引力测定器,或在活塞杆滑动部分的顶端贴上应变仪传感器进行測定。求出实际载荷与液压缸实际运动时所产生牵引力的差值,便可确定。
③ 大行程液压缸的别劲现象卧式的大行程液压缸,当活塞从缸体的最里位置或活塞从最外位置(即活塞碰到活塞杆伸出一侧端盖时的位置)开始运动时活塞杆工作条件处于最不利的情况,尤其是前一种情况最为危险。因活塞杆的重力对活塞产生一个倾倒力矩,造成活塞滑动部位两端的接触面压力极大增高。活塞杆衬套上也存在同样的情形,活塞杆的转矩也作用在衬套滑动部位的两端局部圆面上,形成很大的表面接触压力。表面接触压力过大时,造成滑动面断油将出现爬行现象。
活塞进人缸体最里位置时,产生的活塞面压异常增髙,从外部结构来看,并无解决办法。为防止面压升高,可减轻活塞杆的重量,增加活塞的宽度。例如采用********作活塞杆,活塞体加长,外层铸上铜合金或加聚甲醛支承环作为滑动部分等。
④ 缸壁和衬套的烧结现象前述故障进一步发展,便可能发生烧结现象。如果缸内进有异物,便加快烧结故障的发生。发生烧结部位的工作阻力增高,此时液压缸将不能平滑运行。
(2)密封圈对爬行的影响
液压缸产生爬行现象,受密封件的影响很大。一般情况下,液压缸运动速度在5mm/s 以下运行时,应该设法防止爬行现象产生。如果用通常办法解决无效,应对密封圏的选择加以注意。有时必须采用特殊的密封形式才能防止爬行产生。
为了消除爬行现象,密封圈应具备以下基本条件:
a.密封材料的动摩擦阻力与静摩擦阻力之差要小;
b.密封件结构合理,滑动阻力小;
c.密封件的刚性要大,当受到拉伸力作用时,伸长量小,
d.理想密封件的材料,应该是具有负的阻力特性,即滑动速度增大时,阻力也增大。
①o形密封圈o形密封圈是依靠强制的体积变形,即挤压作用增大接触面压力来实现密封作用的。在低压下使用时,因其动摩擦阻力与静摩擦阻力之差较大,所以容易出现爬行现象。
②U形密封圏 U形密封圑是在无压时依靠唇缘变形的反作用力,产生面压以达到密封效果的。然而,随着内压的增髙,密封圈滑动部分的面积亦增大,接触面压力也增加,密封效果得到提高,但静摩擦和动摩擦阻力之差也变大了。由于内压增高也影响到橡胶的弹性,使唇缘的接触阻力增大,U形密封圈将发生倾倒及唇缘伸长引起爬行现象。
静阻力比动阻力髙,是因为唇缘与滑动面之闻的润滑油膜被破坏以及橡胶被指向滑动表面的作用力,压人凸四不平的表面造成的。
为了防止密封圈倾倒,可采取加支撑环的方法,如图2-28所示,以达到保持密封圈的稳定。如果U形密封圈质量不佳,密封圈的底边一开始滑动时,即使在低压情况下也会发生密封圈的倾倒现象。
③V形密封圈 V形密封圈的材质如选用适当,在允许有少量泄漏的情况下,对密封圈加适当的压紧力,那么这种密封装置可以在低速运动下使用。
材质为皮革或聚四氟乙烯的乂形圈适用于低速运行,只含丁腈橡胶的V形密封圈,不适用于液压缸的低速运动。
④J形和L形密封圏这种类型的密封圈一般用于低压,而丁腈橡胶制品,可能由于形状关系,使用时液压缸容易产生爬行现象。其原因是由于内压提高后,接触面压力增大, 滑动阻力也增大,由于密封圈唇缘处较薄,它将随着滑动阻力的变化而伸缩,因而引起爬行现象。
聚四氟乙烯制品刚性较好,滑动阻力也小,动阻力与静阻力没有差别,因此,适用于低速进给的液压缸。
⑤Y形与Yx形密封圏Y形密封与Yx形密封广泛用于液压设备的液压缸中,既作活塞密封用,又作活塞杆密封用。
Y形密封圈和Yx形密封圈在使用过程中,因翻转造成摩擦阻力变化,或因磨损造成密
封不好进空气时均有可能产生爬行。
⑥织物密封填料这是将浸有聚四氟乙烯和石墨的石棉线,编织成方形断面的绳状密封填实。在低压液压缸使用时,可将此填料涂以黄油缠在活塞扦的滑动处,低速进给阻力小、动作平稳,不易产生爬行。
⑦格来圈 这是一种活塞用双向作用密封圈,如图2-29所示。这种密封圈髙低压均适用,使用寿命长,用于简单整体式活塞,摩擦力最低,工作平稳,可以不加润滑剂而操作, 且化学性能稳定。所以是高效、可靠和低摩擦的活塞用密封件。并且具有快速反应和低污染敏感度的特点。
活塞用格来圈是由一个耐磨的得而凯格来圈和一个弹性体组成。弹性体具有扩张用途, 提供了零压时密封功能。可安装在往复运动、振动和螺旋运动的系统中。工作压力可达40Mpa或更髙;往复运动速度可达15m/s,螺旋运动和振动速度可达5m/s;工作温度为―50~十130℃,最高温度可达+ 225连续工作温度超过130℃ ,将会缩短使用寿命,并应改用特殊的弹性体。
这种密封装置不仅具有寿命长、活塞结构紧凑的特点,而且更主要的优点是不会因硫化产生黏合的趋势、摩擦力小、没有润滑剂也能工作、不产生爬行。
为了防止活塞与缸筒直接接触和密封件不受污染物的损害,工业上通常将格来圈与斯来圈(耐磨圈)一起使用,如图2-30所示。
⑧斯特封 斯特封在髙压和低压的液压系统中,用作活塞杆用密封件,如图2-31所示。这种密封装置具有耐用、摩擦力小、结构简单、使用寿命长和装配方便等优点。
斯特封包含一个由得而凯材料制成的圆环及一个弹性体,弹性体用来提供预紧力。得而凯是聚四氟乙烯化合物,其摩擦因数小,有很好的耐磨性和形状稳定性。其特殊结构,保证了在低压工作时有极好的密封效果。
斯特封可用于往复运动、振动和螺旋运动的装置中。动密封工作压力可达80Mpa,静密封工作压力可更高。工作速度和使用温度与格来圏类似。当两个斯特封串联使用时,可以得到实际为零泄漏的密封效果,如图2-32所示。使用椽胶密封件,常常在低速时产生振动和爬行,斯特封的启动摩擦力等于或低于动摩擦力,使用斯特封可以消除爬行。
由于斯特封有极好的滑动和耐磨特性,所以使用可靠,寿命极长。斯特封也可用在单向外径密封。
⑨双特槽密封 当一般情况下,常把橡胶O形密封圈作为动密封圈使用。但当工作压力较高、运动副间隙较大、静态和动态摩擦较低时,O形圈的使用寿命将会明显地缩短。为此,防止挤出和减小摩擦,提高O形密封圏的性能是非常重要的。作为O形密封圑的补充, 双特槽密封装置是比较理想的结构(如图2-33),其尺寸系列及间隙如表2-1所示。
双特槽密封可以直接装在现有的O形密封圈的沟槽内,或者装在O形密封圈加挡圈的沟槽内。双特槽密封圑用得而抗和得而凯制成,是改进型聚四氟乙烯材料,其特点是具有极好的耐磨损寿命和摩擦特性,它的摩擦力只有普通0形密封圈的40%~80%。
这种双特槽密封结构可以防止O形圈从滑动表面间挤出及磨损。就原理而论,双特槽密封工作起来像两个挡圈,并由一个筒形元件连接起来,因此减少了O形密封圏的摩擦, 现在O形密封圉已经从动密封变为静密封,而双特槽密封变为新型的动密封。
双特槽密封既可用于改进现有O形密封件,又可作为新结构使用,其安装空间并不比O形密封圈的大。
特殊设计的双特槽密封,适用于温度剧烈变化和活塞杆有径向或轴向振动的工况。
双特槽密封的工作压力可达35Mpa,振动时速度可达15m/s,往复和螺旋运动速度可达5m/s,温度与格来圈相似。双特槽密封也可用于外径密封。
双特槽密封的优点除了沟槽结构简单、不会从间隙中挤出、没有因硫化而产生黏合的趋势外,摩擦小,不会发生爬行是它的主要特点。
(3)液压缸进人空气对爬行的影响
液压缸内若有空气,则一开始供压力油时,缸内的空气即起蓄能器作用,压力升高的速度就会变惺。当供油压力克服活塞的静摩擦粗力之后,活塞开始启动时,活塞的阻力即减小为动摩擦阻力,缸内积存空气所贮存的压力能推动活塞向前一冲,这时缸内压力又迅速降低。如果液压缸内部压力降到低于克服动摩擦阻力所需的压力值时,活塞停止运动。由于继续向液压缸内供压力油,缸内空气被压缩,压力升高,当压力达到克服静摩擦阻力时活塞又开始向前一冲。这样,反复进行,便产生爬行现象。这是缸内空气的可压缩性对阻力变化的必然反应。同样,液压缸在有负载的情况下,由于负载不可能是绝对恒定,所以只要液压缸内有过量的空气,将必然产生爬行现象。
液压缸内浸人空气的原因主要有以下几个方面。
①液压缸内空气未排尽低速运动的液压缸,特别是严格要求不能产生爬行现象设备上使用的液压缸,其工作运动之前必须充分排除空气。有些液压缸中活塞杆的导向套较长,空气不容易排尽,如图2-34所示。在这种情况下,排气阀设计在什么位置很重要。设计时应注意两个原则:一是设计在最髙位置,如横向工作的液压缸;二是设计在易于积气的地方,如图2-35所示。
如图2-36所示,液压缸牵动拉杆使载荷W从A点向C点移动过程中,活塞杆的拉力与负载力相平衡。当载荷越过B点后,在向C点运动的过程中,负载将带动活塞杆以较髙的速度向右运动。如果负载速度大于液压缸输人流量所产生的速度时,那么液压缸左腔内将会出现负压。
②液压缸内形成负压如果活塞杆采用带唇缘的密封圈,从唇缘里侧加压,则有密封作用如图2-37所示。倘若缸内变成了负压,那么密封圈的外侧大气压大于内侧的压力,这时就要从外侧向内侧进人空气。唇形密封圈的密封作用是有方向性的,使用时应特别注意。这种工况下防止缸内出现负压的办法较多,如在回油路上设置背压阀,采用回油节流调速等措施。
③弯曲的管路中积存空气与液压缸连接的管路有弯曲时,特别是高处弯曲,空气向高处积聚,很难排尽。为了排尽管中的空气,应在管路的最高处安装排气阀。
④直通管路积存空气在有些液压系统中,液压缸到换向阀之间的管路较长,其容积大于液压缸的容积,如钢铁厂高炉液压系统就存在这种工况。当液压缸工作时,进人液压缸工作腔的压力油是换向阀到液压缸进油口间管路中的油液,而从液压缸非工作腔排出的油液置换了回油管路中的油液,即回油管路中的油液回油箱,液压缸非工作腔的油液回到回油路中。这样液压缸中的油液只是在管路和缸之间来回运动,并没有参与整个系统的油液循环。这种工况下,油液中的空气很难排掉。为了排除这部分液压油中的空气,应在液压缸或管路的最高处安装排气阀,随时排去积存的空气。
⑤液压泵吸油侧进人空气由液压泵吸油工作原理可知,泵吸油侧有一定的真空度, 真空度的髙低与泵至油箱液面的距离以及吸油管和吸油滤油器的阻力有密切关系。如果泵吸油側管接头密封不良,空气就会进人泵内。因此随时检査密封状况并适当增大吸油管径将有利于防止空气的进人。如果液压泵的吸人性能差,吸油阻力也降不下来时,应设置低压泵向主泵供低压油。
⑥ 管路中的油液回流现象在一些液压设备中,液压缸安装在比液压泵髙得多的位置上,当液压泵停止工作时,管中的油液由于位能的作用向液压泵倒流,最后渗漏回油箱。此时,如果管路有密封不良的地方,空气就容易进人系统。在油流方向一定的油路中,如泵的出油管中,安装单向阖能防止这一现象的产生。此外,如果回油管髙出油箱中的液面,排出的油柱冲击液面,使液面泛起波浪,容易使空气混人油液内。如果油箱中油液不足,滤油器局部露出液面时,工作油液和空气一起被吸人到液压系统中。空气进入液压系统,是执行机构出现爬行的主要原因。因此,弄清空气进人液压系统的种种渠道,采取相应的措施,就能减少或消除爬行现象的发生。
(4)油液压缩性对爬行的影响
液压油与空气相比,油的压缩性很小,但当液压缸内容积较大〔如大型液压机的液压缸),压力又较高时,油液的可压缩性可明显地表现出来,在此种情况下,必须考虑油液的压缩性对液压缸爬行的影响。
①垂直位置工作的液压缸爬行现象立式液压机中,活塞式液压缸向上运动为工作行程。当液压缸下行回程时靠自重下降(比较大的液压缸),其运动能量(动量)由于工作油液的压縮性而被吸收,使液压缸内压上升。如果活塞的运动速度在某一时刻内大于液压缸的排油量所决定的活塞运动速度时,液压缸回油腔内压力上升,与活塞向下作用力相平衡时, 活塞停止运动(此时由于油压作用,密封件的滑动阻力增大)。此后由于液压缸仍继续回油, 内压力减小,活塞又开始向下运动(密封件滑动阻力减小)。如此反复动作,结果静、动摩擦阻力差增大,因此将明显地产生爬行现象。此时可在回油路增设节流调速装置,并增大回油管内径来消除爬行。
有的立式液压机采用双出杆液压缸,当活塞向下运动时,如果活塞有工作负载,那么因动能变化而形成的背压变化与全部背压相比,所占比例很小,因此,爬行现象也将明显减少。
② 进油节流调速系统中液压缸的爬行现象进油节流调速液压缸工作压力是由外载荷决定的。因为通过节流阀的流量随外载荷阻力的变化而变化,特别是在轻载慢速的工况下, 如果进油节流调速没有背压装置,就容易引起爬行。当运动件惯性较大时还会出现前冲现象,但增设背压阀可获得良好效果。
(5)液压元件磨损与油液污染对爬行的影响
①液压泵内零件的磨损 液压系统中液压泵内零件磨损严重、间隙过大,引起输出流量和压力不足或波动而使执行机构产生爬行。例如运动件低速运动时,一旦发生了干摩擦或半干摩擦,则阻力增大。这时要求液压泵提高压力,但由于磨损造成间隙过大,产生严重泄漏,因此系统压力不可能随负载阻力正比变化,使工作台的速度减慢或停止,造成压力不稳定。待压力升高时,达到能克服静摩擦力时,又使工作台向前一跳,此时压力又降低,工作台速度又减慢或停止,这样反复循环形成爬行。要消除爬行故障,应对泵内零件进行修复或更换新件,使零件配合间隙合理,减少泄漏,泵才能稳定工作。
②阀类元件控制孔堵塞控制阀的阻尼孔或节流口被污物堵塞,滑阀移动不灵活,造成系统压力波动大也会使执行机构产生爬行。例如,溢流阀被杂质污染,使调定压力不稳定,工作台运动波动就大。当节流阀的节流口较小时,油中杂质和污物很容易附着在节流口处,使通过节流阀的流量减小,压差增大。压力脉动又将污物从节流口处冲走,使通过节流口的流量又增加。如此反复,造成爬行故障。所以不难看出,油液污染也是造成爬行的一方面原因,因此减少液压油污染是消除爬行现象的重要措施。
③液压阀、液压缸内运动件的磨损阀类零件的磨损,使配合间隙增大,部分高压油与低压油互通,引起压力不稳定而形成爬行。液压缸活塞与缸筒内径磨损配合间隙过大,造成内漏,使两腔压差减小,以致推力减小,低速运行时,由于摩擦力的变化而产生爬行。消除间隙过大的办法:对不正常磨损要查明原因,采取相应措施;对正常磨损应及时修复(如电镀),不能修复的应更换新件。
(6)摩擦阻力的变化
摩擦阻力发生变化也容易引起执行机构产生爬行,例如,机床导轨精度达不到要求,局部金属表面直接接触,油膜被破坏,出现干摩擦或半干摩擦,使得摩擦阻力不均;或由于刮研、配磨不当,致使金属面接触不良,润滑油膜不易形成而引起爬行。此种情况多见于新机床或新修过的机床。另外,多段导轨由于接头不平整,使运动件在该处的摩擦阻力增加而产生跳动现象。导轨的油槽结构不合理,润滑效果差也产生爬行现象。
相对运动件接触面间润滑油不充分或润滑油选用不当,摩擦发生变化,使执行机构产生爬行。近年来,在重型机床和髙精度机床上,如大型龙门刨床、立式车床、磨床及镗床等普遍采用静压润滑,低速传动润滑性能稳定,但如果静压导轨的润滑油控制装置失灵,润滑油供给不稳定,也易产生爬行。因此必须保持静压润滑的润滑油压力和流量适当。一般的导轨表面有一层薄薄的润滑油即可,润滑油压力0.05~0.15Mpa范围内为宜。
相对运动的两个物体,摩擦与润滑伴随而生,若两摩擦面间润滑油膜厚度为0,005~0.008mm时,运动件间摩擦力将大大减小。
提高润滑油的點度能提高油膜的强度,并对爬行与振动均有阻尼吸收作用。所以对润滑油的选择是非常重要的。通常中、低压往复运动的液压润滑系统中,选用恩氏黏度。°E50=2~3的润滑油;旋转运动,因速度髙而温升快,选用恩氏黏度°E50=3~3.5的润滑油;对移动部件很重或速度很低的情况,则可选用抗压强度高的导轨油。此外,在润滑油中增加某些添加剂,对提高润滑性能亦有很好的效果。添加剂有两种,一种是油性添加剂,用于低温低压情况下,能与金属表面起物化吸附作用,形成很牢固的吸附膜,从而有效地减小摩擦阻力,此类添加剂,一般要用猪油、油酸、鲸鱼油、三甲酚磷酸酯等,其加人量为1%~5%; 另一种是极性很强的极压添加剂,多用于压力很大及温度高的情况下,它能分解并与金属表面化学反应,能覆盖于油膜破裂处,常用的有硫化油、三甲基苯磷酸酯、氯化石蜡(含40%以上)、二垸基二硫化磷酸锌(加人量约为2%)等。
这些措施对减小和稳定摩擦阻力控制爬行现象,具有重要作用。
(7)载荷与液压缸连接位置对爬行的影响
在平面上移动的载荷与液压缸的连接位置应靠近滑动平面,如图2-38所示。
载荷运动平稳的基本条件是:载荷重心应尽量低;液压缸连接点位置到滑动平面间的距离与液压缸的作用力的乘积〈即逆转力矩)应尽可能小。如果载荷的稳定性差,滑动面积减小,则面压增高,将造成断油状态,并引起爬行。
在载荷两惻面安装导向装置时,应注意下列两点。
① 导轨长度应尽量取长一些。
② 载荷与液压缸连接位置应使液压缸推力不会使载荷发生倾斜。否则导轨面压增大, 将引起爬行现象。如图2-39所示,活塞杆与载荷的连接点应尽可能在中心线处。
载荷的滑动面压力应根据运动速度和载荷重量,确定适当数值。面压过高,油膜破坏, 动阻力与静阻力的差值增大,造成爬行现象。因此在接触面压力大的情况下,保证足够的润滑油是非常必要的。