基于FliudSIM的数控车床液压卡盘故障诊断与排除

曾 敏

（山西职业技术学院 机电工程系，太原 030006）

我国的数控车床经历了萌生、起步、推广以及普及阶段，已经得到广泛应用，逐渐成为装备制造业的主要加工设备。山西省拥有许多装备制造企业、液压设备制造企业和纺机制造企业，其制造装备均采用了大量的数控机床。目前，数控车床是数控机床中应用最广泛的机床之一。数控车床是集机械、液压和电气于一体的机床，故障种类多样，导致数控车床的维护和维修成为装备制造企业面临的一大难题。其中，液压系统故障较常见，但较难发现故障原因，排除故障费时费力[1]。基于液压仿真软件FliudSIM，分析数控车床液压卡盘常见的故障诊断和排除方法。

1 数控车床卡盘类型

数控车床卡盘是夹持工件的重要装置，主要安装于车床主轴，通过主轴旋转带动卡盘转动以实现切削作用。数控车床卡盘从结构上可分为二爪、三爪、四爪、六爪和八爪。二爪一般在精车、磨削及分度头铣削时使用；三爪可实现自动定心功能，夹持范围大且装夹快；四爪一般夹持方形或异形工件，防止工件变形；六爪和八爪主要夹持薄壁工件，以增大接触面积，防止工件变形。从动力上，它可分为液压卡盘、气压卡盘和手动卡盘。液压卡盘夹持力大、装夹快、操作方便简单以及生产效率高。气压卡盘夹持力低，但遇断电时可保持一定的压力；手动卡盘通过扳手实现工件装夹，适合一些毛坯料的粗加工。目前，液压三爪卡盘的使用最普遍，具有较高的性价比[2]。

2 液压卡盘的工作原理

液压卡盘液压系统的原理图，如图1所示。它由定量液压泵、直动式顺序阀、二位四通电磁换向阀、三位四通换向阀以及单杆双作用缸固式液压缸组成。当液压缸液压杆伸出时为卡盘夹紧状态，当液压杆缩回时为卡盘松开状态[3]。

2.1 卡盘夹紧

卡盘夹紧过程中，进油路的工作流程：油箱→液压泵→直动式顺序阀→二位四通电磁换向阀左位（电磁铁YB1通电）→三位四通电磁换向阀左位（电磁铁YA1通电）→液压缸左腔→液压杆伸出。

卡盘夹紧过程中，回油路的工作流程：液压缸右腔→三位四通电磁换向阀左位（电磁铁YA1通电）→油箱。

2.2 卡盘松开

卡盘松开过程中，进油路的工作流程：油箱→液压泵→直动式顺序阀→二位四通电磁换向阀左位（电磁铁YB1通电）→三位四通电磁换向阀右位（电磁铁YA2通电）→液压缸右腔→液压杆缩回。

卡盘松开过程中，回油路的工作流程：液压缸右腔→三位四通电磁换向阀右位（电磁铁YA2通电）→油箱。

2.3 泵卸荷

泵卸荷的工作流程：油箱→液压泵→直动式顺序阀→二位四通电磁换向阀右位（电磁铁YB1断电）→油箱。

3 液压卡盘未夹紧故障的诊断与排除方法

3.1 液压系统故障诊断方法

使用液压设备一段时间后需要开展定期维修，但是液压系统是密闭系统，检修时不允许全部拆卸系统所有元件来检查与维修，应根据故障出现的现象诊断其产生的原因，且要求既快又准，以便于及时高效排除故障[4]。常用的故障诊断方法包括浇注油液法、直观检查诊断法、对比替换法、逻辑分析法、专家诊断法及智能诊断法。

3.1.1 浇注油液法

浇注油液法是指对可能出现故障的进气部位浇注油液，寻找进气口的方法[5]。

3.1.2 直观检查诊断法

直观检查诊断法是指检修人员凭借人的触、视、听、嗅、阅和问来判断液压系统故障的方法。触是指摸温度、摸振动、摸爬行和摸松紧度。视是指检修人员运用人的视觉判断液压系统无力、系统不平稳、油液泄漏以及油液变色等故障的方法，即看速度、看压力、看油液、看泄漏、看振动和看产品“六看”。听是指检修人员运用人的听觉判断液压系统振动噪声过大等故障的方法，即听噪声、听冲击和听异常声音（气穴、困油等现象发出的异常音）“三听”。嗅是指检修人员运用人的嗅觉判断液压系统油液变质、系统发热等故障的方法。阅是指查阅有关故障的分析、修理记录、日检卡、定检卡以及维修保养卡等。问是指查问设备操作人员，了解设备运行情况，主要包括问液压泵工作是否正常、问液压油更换时间和滤油器清洗更换时间、问事故发生前是否调节过压力阀或流量阀或出现异常、问事故发生前是否更换过液压元件、问事故发生后系统出现哪些不正常现象以及问过去发生的事故是如何排除的。

3.1.3 对比替换法

对比替换法是指用一台与故障设备相同的合格设备或试验台进行对比试验，将可疑元件替换为合格元件。若故障设备能正常工作，则查找到故障；若故障设备继续出现原有故障，则未查找到故障。使用同样方法逐项循环查找故障，直到查找到故障位置。

3.1.4 逻辑分析法

逻辑分析法是指根据液压系统的基本原理进行逻辑分析，排查故障发生的原因，逐步逼近直至找出故障发生部位的方法。

3.1.5 专家诊断法

专家诊断法是指在知识库中存放各种故障现象、原因、原因与现象之间的关系。若系统发生故障，则将故障现象输入计算机，再由计算机判断故障原因，进而提出维修或预防措施的方法。

3.1.6 智能诊断法

智能诊断法是采用双向联想记忆模型储存变元客体之间的因果关系，处理不精确、矛盾甚至错误数据来提高专家系统诊断智能水平的一种方法。

3.2 液压系统常见故障

3.2.1 调试阶段常见故障

调试阶段的常见故障主要包括外泄漏严重，执行元件运动速度不平稳，阀类元件阀芯卡死和运动不灵活，未装弹簧导致执行元件动作失灵，压力控制阀阻尼孔堵塞引起控制压力不稳定甚至出现压力失控的情况，系统设计不完善等。

3.2.2 运行初期常见故障

运行初期的常见故障主要包括管接头松动，密封质量差造成油液泄漏，污染物堵塞阀口造成压力和速度不稳定，油温过高或泄漏严重导致压力和速度变化。

3.2.3 运行中期常见故障

运行中期属于正常磨损阶段，故障发生率较低，主要故障表现为油液污染。

3.2.4 运行后期常见故障

运行后期常见故障主要包括元件失效和油液泄漏严重，导致效率较低。

3.2.5 运行突发故障

运行突发故障主要包括弹簧突然折断、管道破裂、密封件撕裂以及错误操作工作程序等方面，多发生在液压设备运行初期和后期。

3.3 液压卡盘未夹紧故障的诊断与排除方法

3.3.1 故障现象

数控车床控制界面出现报警信号，即卡盘未夹紧，禁止转动主轴。

3.3.2 故障诊断方法

（1）采用直观检查诊断法进行初诊。①望诊：液压卡盘无速度、不执行夹紧工作；液压泵出口压力表有读数；油箱油量高于油标、液压油黏度符合要求；各接头、阀板接合面、油缸以及油泵等没有出现渗漏现象；工作台和油管工作时没有发生跳动现象。②闻诊：噪声，即油泵、液压系统工作时噪声不大；冲击声，即听不到油缸换向时的冲击声，换向阀换向时未听到严重撞击声；气蚀声，即未听到油泵发出气蚀声；敲打声，即油泵运转时声音正常；未闻到因液压油发臭、变质及橡胶件过热而发出的特殊气味。③问诊（询问操作人员）：更换同品牌和同黏度的液压油，清洁过滤器滤网；发生事故前未调节该液压系统中各类阀的压力；发生事故前未发现液压元件出现漏油现象，密封良好；发生事故前，该液压系统一直正常工作；一般先排除机床电气控制方面的故障。④切诊（用手摸）：油泵、阀和油管的温度属于正常范围；油泵、阀和油管无振动；连接、固定、操纵、调节部位螺母以及螺栓连接正常，无松动现象。

（2）再次诊断。根据初诊结果，再次判断故障产生的原因是液压回路问题还是电路问题。操作数控车床控制面板观察电磁换向阀的指示灯是否正常交换。若通过操作控制面板发现电磁换向阀的指示灯可以正常交换，说明该液压回路的电控部分工作正常。

（3）模拟仿真。基于两次诊断结果，利用FluidSIM液压仿真软件模拟液压卡盘液压回路工作过程，进一步判断该液压回路故障可能产生的原因。FluidSIM是集电气-液压（气压）回路绘制及相应液压、气压系统实际工作过程仿真的软件。液压回路设计完成后可以运用该软件验证设计的正确性，并演示回路的动作过程，同时提高对电气-液压（气压）回路的认识和实际故障的判断能力。

通过模拟仿真可以发现，该液压回路故障原因可能与液压缸动作失常、电磁换向阀不换向、溢流阀压强调节太低、柱塞泵压强过低或无压强等故障有关。根据模拟仿真中观察的故障现象梳理产生故障的可能原因，主要包括：液压泵压强不足，即液压泵转向错误、泵内零件磨损、油面太低以及管路密封不严等；溢流阀压强调节太低，即弹簧疲劳变形、滑阀在开口位置卡死、密封不严以及阻尼孔堵塞等；电磁换向阀不换向，即电磁铁吸不紧、阀芯卡住、弹簧损坏、阀体磨损以及油液黏度大等；液压缸动作失常，即液压缸零部件加工精度低、液压缸刚度低、液压缸内泄露以及液压缸安装位置不当等。

3.3.3 故障排除

基于模拟仿真，利用梳理的故障原因鱼骨图进行逐一排除。按下机床启动按钮，液压泵出口压强为6 MPa，溢流阀出口压强也为6 MPa，排除溢流阀压强调节太低的故障。虽然电磁换向阀的指示灯可以正常交换，但是否可以正常换向需要进一步拆装检测换向阀。

该回路中共有两个电磁换向阀，分别为二位四通电磁换向阀和三位四通电磁换向阀。模拟仿真中可以看到，液压油先经过二位四通电磁换向阀再经过三位四通电磁换向阀，最后到达液压缸推动液压卡盘工作。两个电磁换向阀只要有一个不能正常换向，液压缸就不能正常工作。

电磁换向阀由阀芯、阀体、顶杆、弹簧以及控制阀芯运动的电磁铁组成。换向阀的作用是利用阀芯和阀体的相对工作位置改变，使得油路接通、断开或变换油液流动方向。二位即阀芯可以运动2个位置，三位即阀芯可以运动3个位置（含1个停止位）。当电磁铁通电时，电磁力推动顶杆和阀芯移动实现换向。

当拆装三位四通电磁换向阀时，发现电磁铁通电时电磁力可以推动顶杆动作，但是顶杆不能推动阀芯运动，阀芯卡在阀体里不动作，清理阀芯周围的污物后阀芯仍未动作。考虑阀芯或阀体磨损严重，配合精度降低，随即更换一个同型号的电磁换向阀，重新启动机床后液压卡盘可以正常工作，至此排除该故障，数控车床控制界面未出现报警信号。

4 结语

机床由机械传动装置、电气控制部分和液压控制部分等组成。液压系统故障在机床故障中占14%，但液压系统控制机床的主要部件运动属于机床的主要部分，因此即便小故障也会影响机床运转，进而影响机床的工作性能，可见液压系统的维修非常重要。

液压系统故障经常与机械和电气控制部分的故障交织，给故障诊断和排除带来了很多困难。换向阀阀芯卡死导致执行元件不能换向，属于液压系统故障中的偶然事件，且没有规律可循。当该故障出现时，不一定能够快速确定故障的部位和产生原因。考虑到工作人员不熟悉该设备情况，因而查找原因更加困难。文章利用FliudSIM仿真软件辅助工作人员诊断和排除故障，提高了故障排除的效率和精准度，可为今后液压系统故障排除提供新思路。