超越负载液压马达系统的特殊性分析和安全调试

2021-11-02田海弘

液压与气动 2021年10期

刘榛，田海弘

(浙江大丰实业股份有限公司，浙江余姚 315400)

引言

为了满足广大人民群众对精神文化生活越来越高的需求，近年来，在国内出现大量剧场、多功能综合体和各类旅游演出场所等，在这些演出场所中，大多都会设置一些用于演出的机械设备，尤其是在带有水元素的旅游演出场所中，大多会配置一些水中表演的机械设备，水中升降台是其常见的表演用机械设备之一。由于液压执行元件较适合布置于水中，水中升降台常采用液压系统进行驱动，其一般无平衡配重系统，故液压系统驱动的负载始终是单向载荷，特别是在升降台下降时，负载方向与设备运动方向一致，通常将其称为超越负载或负负载[1-3]，负载产生的系统压力始终作用于液压缸或液压马达固定的一腔。本研究主要针对采用液压马达水中升降台液压系统的特点，结合演出对升降台的安全和性能等要求，通过典型案例详细分析此类液压系统的基本构成及其特殊性，并针对在系统调试过程中发现的安全性问题进行综合分析解决，确保水中升降台机械机构及其液压系统运行的稳定性、安全性和可靠性。

1 系统构成及其特殊性

图1所示是一个典型的水中升降台液压系统，已成功用于实际工程项目中，利用柱塞液压马达驱动链轮的方式，实现链条对水中升降台的提升，其中链条采用闭环形式，设备的升降均可通过控制液压马达实现。

1.液压泵 2.溢流阀阀组 3.比例方向阀 4.换向阀5.减压阀 6.平衡阀 7.安全溢流阀 8.防爆阀9.马达制动器 10.轴向柱塞马达 11.升降台提升链轮图1 水中升降台液压系统原理图

1.1 系统的总体构成

水中升降台液压系统主要由液压马达回路、平衡控制回路、方向速度控制回路、制动器控制回路和动力源控制回路等构成。

(1) 液压马达回路：由轴向柱塞马达10、防爆阀8以及A和B油路的安全溢流阀7组成。防爆阀是为了防止由于油管突然破裂而引起的升降台失速，安全溢流阀的作用是当压力异常增高时，对马达进行保护；

(2) 平衡控制回路：主要由平衡阀6实现对升降台下降平衡的控制[4-5]，用来防止因超越负载而引起液压执行元件的“失控”；

(3) 方向速度控制回路：主要由比例方向阀3实现对升降台运行方向和速度的控制，升降台有重复定位精度的要求，故配置有拉线编码器进行位置检测，与比例方向阀一同组成一个闭环位置控制[6]回路；

(4) 制动器控制回路：主要由换向阀4、减压阀5和马达制动器9组成，配置减压阀的目的是为了使制动器控制回路与主回路的压力相匹配；

(5) 动力源控制回路：主要由液压泵1、单向阀、压力过滤器和溢流阀阀组2构成，该系统的液压泵采用变量轴向柱塞泵，溢流阀的选用与升降台超越负载的特性相适应；

(6) 传感器检测系统：由压力传感器、油温传感器和液位传感器等构成，其中压力传感器设置有4个检测点，分别监测P，A，B和X油路的压力，是后续系统调试及控制实现的重要参考依据；

(7) 液压介质：为了降低对水体可能产生的污染，系统选用了水-乙二醇[7]作为压力能传递的介质，是一种水性液压介质，安全环保，但也要注意可能对液压系统带来的影响。

1.2 元件和回路的特殊性

针对系统执行元件在水环境中工作和载荷为超越负载等情况，系统元件、回路的布置和选择有其一定的特殊性。

1) 平衡阀位置与系统安全性的综合考虑

从安全的角度考虑，图1所示系统的平衡阀最好直接用硬管与马达A腔油口连接，且两者尽可能接近以防因软管爆裂而产生升降台突然下沉的危险。但在实际工程中，液压马达传动轴与升降台提升链轮11连接且布置于水中，如果平衡阀与马达油口近距离连接则其也将处于水中，这要求平衡阀要有防腐蚀性能或采用密封防水的设计，这不仅增加成本，降低可靠性，而且还不利于平衡阀的调节和维护。综上因素，该液压系统的平衡阀被设置于干区的泵站位置，对于可能发生的因软管爆裂导致升降台突然下沉失速的危险，则采用在马达A腔油口处增设管式防爆阀的方式解决。

2) 升降台下降运行稳定性和位置保持能力

在升降台下降时，液压马达表现为超越负载的力矩特性，负载力矩成为液压马达的驱动力，若液压马达回油路(A油路)无压力，升降台会因自重产生自行下滑，甚至可能产生超过液压泵供油流量所提供的转速的超速运动。在执行元件的回油路设置一定的背压来平衡超越负载，将对下降的升降台形成托举力，防止运动部件的自行下滑和超速，该回路通常被称为平衡控制回路(平衡回路)。在超越负载状况下，平衡回路系统易出现 “爬行”现象[8-9]，故根据系统具体工况选择合适的平衡回路尤其重要，几种常用类型的平衡回路构成形式及特点如下：

(1) 在回油路上串联单向节流阀或单向调速阀的平衡回路：在超越负载情况下，形成回油节流而产生背压，节流阀适用于固定的超越负载，而调速阀不会因负载变化而引起速度变化，所以适用于变化的超越负载；

(2) 在回油路上串联单向顺序阀的平衡回路：单向顺序阀的调定压力须按最大超越负载力来调定，当负载变小时，会造成不必要的能量消耗，适于负载变化不大的场合；

(3) 在回油路上设置液控平衡阀的平衡回路：随着负载的变化，平衡阀会自动调整阀口的大小，不会产生过平衡或欠平衡，故不会造成不必要能量的消耗。平衡阀是专为平衡回路设计的液压元件，在变化超越负载的工况下，推荐优先采用，在本研究中就采用了FD系列的液控平衡阀，不仅能自动适应并平衡超越负载的变化，有较高的系统效率，而且还有一定的位置保持能力。

在本研究中，要求停机时升降台的下沉量不能大于5 mm/h，本系统采用马达制动器的方式(零下沉)能完全满足这个要求。但对于一些采用液压缸驱动的升降台，无法采用制动器来实现其位置保持，在油缸无内泄的情况下，通常在升降台下降方向的液压回油上设置低泄漏液压元件，其阀口通常是锥阀形式的，如液控单向阀和平衡阀等，采用这种回路时，有以下两点需要注意：

(1) 在停机状态下，换向阀的中位机能应能使换向阀与液控单向阀或平衡阀之间的油路与油箱保持连通，通常选Y型中位机能，使液控单向阀或平衡阀[10]的下端回油不产生背压，以保证其阀口有效关闭；

(2) 液控单向阀应采用外泄式的，否则由于升降台下降时回油背压的影响，导致液控单向阀的开启状态不稳定，产生下降“爬行”现象，如果有条件，最好液控单向阀的控制油路也能独立，采用外泄外控式的液控单向阀为最佳。针对本系统的要求，若选用供应商生产的插装式CB系列平衡阀，其在复位时的最大泄漏量为0.4 mL/min，假设采用了直径为100 mm的油缸作为执行元件，则理论上其最大下沉量仅为约 3 mm，满足要求。若升降台位置保持能力要求很高时，还可以考虑采用无泄漏的电磁球阀。

3) 不同运行阶段系统最高压力的设定

液压系统的工作压力是由负载决定的，但系统的最高压力是由溢流阀或安全阀调定的。本系统中，在升降台的下降阶段，液压马达回油腔与进油腔的压力差形成的扭矩应与升降台负载(含自重)所产生的力矩相平衡，即如式(1)所示：

(1)

对式(1)进行变换，得：

(2)

式中，p1，p2—— 马达进油和回油腔压力

q0，ηm—— 马达排量和机械效率

F—— 升降台负载(含自重)

d—— 与马达轴联接的提升链链轮节圆直径

从式(2)中可以看出，在升降台下降时，马达回油腔产生的压力是由进油腔压力和负载所产生的压力两部分组成，若升降台在小于额定速度的状态运行，泵提供的液压介质除部分进入马达进油腔外，还有一部分通过溢流阀回到油箱，此时进油路的压力应是溢流阀的设定开启压力，若整个系统仅有1个溢流阀，其设定值应至少大于升降台上升所需的压力，在这种情况下，当升降台下降时，系统的回油压力将超过溢流阀调定的最大系统压力值，故对于此类有超越负载的液压系统，在设备不同运行阶段系统应有不同的最高压力设定值。图1所示的液压系统就采用了特殊的溢流阀组，利用电磁阀对上升和下降的最高压力进行分别设定，上升时的最高压力设定为13.5 MPa，下降时的最高压力设定为5.0 MPa。当然还有其他方式可以实现这种分段设定系统的最高压力，如在B油路增设与主油路溢流阀并联的另一个溢流阀或采用比例溢流阀等。

4) 系统介质的适用性

由于液压系统选用的介质为水-乙二醇，该介质对聚氨酯和天然橡胶等材料会产生水解，所以应注意各元件的密封件与水-乙二醇液压液产生不相容的问题，在选择元件时应咨询供应商。在本系统中，所选轴向柱塞马达常规产品的部分密封件与水-乙二醇液压液不相容，为了让其适用于水-乙二醇液压液的介质环境，出厂前，供应商对部分密封件进行了特殊更换。

2 系统调试出现安全性问题的解决

对图1所示液压系统经过初步调试后，升降台的启动、停止、上升和下降运行均很稳定，但偶然发现升降台在长期(超过12 h)停机后再次启动时，升降台产生突然失速下沉的现象，这是设备运行的安全性[11]问题，必须足够重视和彻底解决。发现问题后，技术人员做了大量的测试和调试，最终发现了问题的原因并成功解决。

2.1 分析问题的产生原因

升降台在运行刚停止，DT3还处于通电状态时，X油路保持压力，液压马达制动器处于非制动状态，此时升降台的位置保持是通过平衡阀封闭马达A腔的回油路实现。若升降台需要在某个位置长期停放时，则利用马达制动器来实现，此时DT3断电，X油路与油箱接通，作用于制动器上的压力消失，制动器通过碟形弹簧实现对马达转轴的制动。升降台在长期停机后再启动时的突然下沉[12]，是在制动器被打开的瞬间产生，通过电气控制检测系统得知，在问题发生时，比例方向阀并未打开。在此种情况下，首先怀疑平衡阀有问题，但通过测试验证平衡阀并无异常。在平衡阀正常的状况下，如果在马达的进出口腔内充满液压介质，即使液压马达制动器被打开，升降台也不会产生突然下沉的现象，除非液压介质中存在空气而导致液压系统对升降台控制失效。

通过对上述现象的综合分析，最终确定升降台突然下沉的真正原因是：当设备长期停机后，存留在液压系统介质中的空气会慢慢集中至系统的最高处，而在实际工程中，液压马达正好处在系统的最高位置，此时当集中在马达内的空气达到一定量，当制动器打开后，在负载的作用下，液压马达开始转动，但马达活塞却只在空气中做无效的往复运动，无法对液压介质做功，使液压介质失去了传递压力能的作用，从而导致了升降台的失速下沉。

2.2 问题的彻底解决

确定液压系统中存留的空气是导致升降台突然下沉的原因后，现场调试人员对系统进行了排气处理。升降台处于水中，液压站与马达的距离较远，经核算，在升降台的一个完整单向行程中，马达运行所需的液压介质容积小于回油管路的容量，即在升降台的运行过程中，回油路中的液压介质仅部分回到油箱，这样可能导致油管中的空气无法完全从液压介质中排出。因此现场采用了如下的排气措施：将A路和B路油管在液压马达的进出油口处拆开后互相连接，开启液压系统，让系统中的介质进行足够的单方向循环，保证系统中原所有的介质都在油箱中得到充分的更换，从而达到空气完全被排出的目的，在后续将循环后的管路接入液压马达之前，要特别注意在液压马达中首先注满液压介质，以保证在复原后的液压系统中无存留的空气。

通过上述排放空气的操作后，对液压系统进行测试，升降台在长期停机后再启动时的突然下沉现象消失，但实际上，问题并未得到彻底解决，需要全面分析故障[13-14]产生的原因。假设在水-乙二醇中有微小的气泡溶入，在升降台运行过程中，这些气泡会随介质进入系统，如果升降台停机的时间足够长，这些气泡就有可能从介质中析出并逐渐集中到处于系统最高位的马达处，这同样会存在升降台突然下沉的风险，应彻底解决这个安全隐患。最终，设计人员从压力检测和系统控制的角度解决了问题，其整体思路是：在马达制动器打开之前，需要保证在马达的A腔和B腔内充满液压介质。如图1所示，在A油路和B油路分别增设了压力传感器，在电气控制程序方面增加了主动充液和压力检测的内容，具体如表1所示。

表1 升降台上升前系统充液检测时序表

从表1可以看出，序号1和序号2的控制时序，是为了彻底解决升降台在制动器打开后突然下沉而增加的控制步骤，在调试中经多次尝试，得到1.2 s的延时对于系统较适合，既保证有足够的充液时间建立起10 MPa 的压力，避免介质中可能存在的空气集中，而且该延时也不会让操作人员感到升降台启动时的明显滞后。同样，在升降台下降前，也需要增加相应的充液检测步骤，但与上升不同的是，其充液顺序相反，即先对马达B腔充液检测，然后对A腔充液检测后，再执行升降台正常下降的启动程序，比例电磁铁按照BDT2—BDT1—BDT2的顺序交替动作。