1、液压系统故障案例分析-流体力学与流体传动2016/3一、液压故障的概念二、液压故障的属性三、现场液压故障的主要特点四、常见液压故障症状及其原因五、液压系统故障诊断的方法 液压故障是指液压元件或系统丧失了应达到的功能及出现某些问题的情形。“功能丧失”有几种情况：完全丧失功能是破坏性故障（如泵轴扭断、电磁铁烧坏）；降低功能是功能性故障（如泵容积效率下降、液压缸速度减慢）；由人们错误操作与装配引起的故障是误动作故障。“出现问题”表现在振动、噪音的异常。丧失功能与出现问题往往联系在一起，它们都是液压装置内部条件（结构状况）及外部条件（输入量）未满足其正常运行的要求所引起的。一、液压故障的概念二、液压故
2、障的属性1.故障元件 即发生故障的元件。液压设备以元件为基本组成单元，液压系统的故障一般情况下就是某一具体元件的故障，只有在对液压元件的原理、结构、功能、失效机理等有了深入系统的认识之后才能顺利地分析现场故障和排除故障。液压故障分析的一个重要特点是通过对系统性能变化的考察来推断元件的损坏，这里尤其要注意的是系统性能变化与元件损坏之间的各种关系。2.故障参量 即表征液压装置功能丧失或出现问题的物理量。如压力、流量、泄漏量、速度（转速）、力（扭矩）、动作秩序、位置、效率、振动、噪音及吸油口的真空度等，上述参量值超出了规定的范围，即表明系统发生了故障。3.故障症状 即故障参量超出了规定的范围，且被人
3、们观测到的现象。它是故障的外在表现。4.故障信息 即反映液压装置内部损坏情况的特征信息。故障症状显然是故障信息。设备的异常现象，报警信号，系统测试分析结论，设备的使用期限，维护保养状况，运行及修理记录等在一定的条件下也是故障信息。故障信息及其与故障的某种对应关系，是判断故障的起点和依据。5.故障原因 即引起故障的初始原因。它主要有油污染、机械磨损与断裂失效、设计与制造问题、安装问题、环境条件不符及人为因素等。因果关系分析是具体的现场液压故障分析的主要内容，找出最初原因是其直接目的。6.故障范围 即故障的涉及面。有的故障是单一性的，有的故障是综合性的和全面的。前者是由个别因素异常引起的结果，后者
4、涉及到多环节与部分。例如液压油脏了引起液压系统多处阀芯卡死，电磁铁烧坏等，设备使用时间长，多处磨损，引起系统压力与流量下降等就属于综合性故障。7.故障强度 即故障的严重程度，也就是液压装置损坏的严重程度。严重故障强度高，轻微故障反之。在现场，应注意发现故障苗头，避免严重故障。轻微故障信息量不充分，不明显，故障分析时难度大。8.劣化速度 即故障产生与发展的速度。有的故障是突然产生的，有的故障则是逐步发展的。零件疲劳断裂，电线脱落是突发型故障。对于突发型故障，应注意掌握故障的预兆。对于渐变型故障，应长期监测，弄清其发展趋势。9.故障时效 即故障的作用持续状况。有的故障是暂时的、间断性的、时有时无的
5、。例如，污染物堵住了节流口，后来油液冲走了污染物。再如，由于行程开关安装松动，换向阀可能不会及时换向。而有的故障一旦出现，只有在修理或更换了零件之后才能恢复功能，这类故障是永久性故障。暂时性故障原因在外部，永久性故障的直接原因在元件内部。10.故障频率 即故障出现的频繁程度。有的故障经常出现，有的故障偶尔出现。对经常出现的故障，应考虑采取有力措施消除其根本原因。对偶发性故障，分析起来要困难得多。三、现场液压故障的主要特点与一般的机械与电气故障相比，现场液压故障具有下列特点：1.故障点的隐蔽性 液压装置的损坏与失效，往往发生在深层内部，由于不便装拆，现场上的检测条件也很有限，难以直接观测，各类泵
6、、阀、液压缸与液压马达无不如此。由于表面症状的个数有限，加上随机性因素的影响，故障分析很困难。大型液压阀板内部孔系纵横交错，如果出现串通与堵塞，液压系统就会出现严重失调，在这种情况下找故障点难度很大。例，某液压系统如图1-1所示。其症状为：卸荷压力仅比工作压力低1MPa左右（工作压力约为4MPa），系统运行约10分钟后，油液便升温至50以上。引起这一问题的原因是主油路与溢流阀卸荷控制油路在阀板上串通（串通油路如图中虚线所示）。一部分液压油经这一通道再经换向阀回油箱。换向阀通径小，有阻力，故油液在换向阀前有压力p1，使溢流阀处在二级压力p1控制下，溢流阀主阀芯不能充分开启，系统卸荷压力上升，油液
7、因节流发热而温度升高。三、现场液压故障的主要特点图1-12.因果关系的复杂性 液压系统的故障、症状与原因之间存在各种各样的重叠与交叉。一个症状有多种可能原因。例如，执行元件速度慢，引起的原因有：负载过大，执行元件本身磨损，导轨误差过大，系统内存在泄漏口，调压系统故障，调速系统故障及泵故障等。一个故障源也可能引起多处的症状，例如，叶片泵定子内曲线磨损之后，会出现压力波动增大和噪声增大等故障，泵的配流盘磨损之后会出现输出流量下降、泵表面发热及油温升高等症状。一个症状也可能是同时由多个故障源叠加起来形成的，液压系统在运行一段时间以后，多个元件均被磨损。例如，当泵、换向阀和液压缸均处于磨损状态时，系统
8、的效率有较大幅度的下降。当逐一更换这些元件后，效率将逐步地提高。对于一个症状有多种可能原因的情形，应采取有效手段剔除不存在的原因。对于一个故障源产生多个症状的情形，可利用多个症状的组合去确定故障源。对于叠加现象，应全面考虑各影响因素。分清各因素作用的主次轻重。3.相关因素的随机性 液压系统在运行过程中，受到各种各样的随机性因素的影响，如电网电压的变化、环境温度的变化、机器工作任务的变化等。外界污染物的侵入也是随机性的。由于随机性因素的影响，故障具体发生点及变化方向更不确定，造成判断与定量分析的困难。4.失效分布的分散性 由于设计加工材料及应用环境等的差异，液压元件的磨损劣化速度相差大，液压元件
9、的实际使用寿命严重分散，一般的液压元件寿命标准在现场无法应用，只能对具体的液压设备与液压元件确定具体的磨损评价标准，这又需要积累长期的运行数据。四、常见液压故障症状及其原因 液压设备常见故障的症状与原因，是故障分析必备的常识，本节予以简要介绍。1、压力失控及其原因 液压设备的压力失控，是最常见的故障，主要表现在：系统无压力，压力不可调，压力波动与不稳，以及卸荷失控等。a.系统无压力设备在运行过程中，系统压力突然下降至零并无法调节，这类问题多数情况下是调压系统本身故障引起的，应从下列方面去找原因：a.系统无压力 溢流阀阻尼孔被堵住；溢流阀的密封锥面上有异物；溢流阀主阀芯在开启位置上卡死；卸荷换向
10、阀的电磁铁烧坏，电线断或电信号未发出；对于比例溢流阀还有可能是电控制信号中断。a.系统无压力 设备在停开一段时间后，重新启动，压力为零，可能的原因有:溢流阀在开启位置锈结；液压泵电机反转；液压泵因过滤器阻塞或吸油管漏气未吸上油。设备在检修，元件装拆更换后出现压力为零现象，可能的原因有液压泵未装紧，不能形成工作容积；液压泵内未装油，不能形成密封油膜；a.系统无压力u换向阀阀芯装反；u换向阀装反，如果系统中有U型中位机能的换向阀，一旦装反，便使系统泄压（如图1.2所示）。图1-2b.系统压力不高这类问题一般由内泄漏引起，主要原因有 液压泵磨损，形成间隙，调不起压力，同时也使输出流量下降。溢流阀主阀
11、芯与配合面磨损，使溢流阀的控制压力（二级压力）下降，引起系统压力下降。b.系统压力不高 执行元件（液压缸或液压马达）磨损或密封损坏，使系统压力下降或保持不住原来的压力，如果系统中存在多个执行元件，某一执行元件动作压力不正常，其它执行元件压力正常，则表明此执行元件有问题。系统内有关的阀，阀板存在缝隙，形成泄漏，使压力下降。c.系统压力居高不下，且调节无效 这类问题的原因一般都在溢流阀上，即溢流阀失灵。当主阀芯在关闭位置上被卡死，锈结住时，必然会出现系统压力上升且无法调节的症状。当溢流阀的先导控制油路被堵死时，控制压力剧增，使系统压力也突然升高。c.系统压力居高不下，且调节无效 例如，某液压设备的
12、YF10型溢流阀，因不慎将先导阀座前端螺塞拧得过紧，将先导油路切断（如图l3所示），结果使系统压力升至9MPa，超出正常调整压力4MPa。图13d.系统压力漂移与波动 压力漂移是指系统压力不能在调定值上稳定，随运行时间发生变化。压力波动是指系统的压力出现明显的交变波动。引起系统压力漂移的主要原因是油温的变化，使油粘度下降，引起系统压力变化。d.系统压力漂移与波动 系统设计不合理，如液压泵过大，而实际负载流量较小，大部分油经溢流阀溢流，引起系统节流发热，油粘度下降，导致压力下降。系统中存在泄漏口，也会因节流发热而使系统压力漂移。系统冷却能力不足或失效也会引起系统压力漂移。d.系统压力漂移与波动此
13、外，溢流阀的调节螺栓松动，没有用螺母固定，也会使其调节状态变化，引起系统压力下降。比例压力阀因控制电路的参数漂移，引起信号的漂移，最终引起控制压力的漂移。d.系统压力漂移与波动系统压力波动的原因比较复杂，主要是：溢流阀磨损，内泄漏严重，使调节压力不稳定。溢流阀内混入异物，其内部状态不确定，引起压力不稳定。油内混入空气，系统压力较高时气泡破裂，引起振动。d.系统压力漂移与波动导轨安装及润滑不良，引起负载不均，进而引起系统工作压力的波动。液压泵磨损，如叶片泵定子内曲线磨损，泵轴承磨损等均会引起明显的压力波动与噪声，且症状随着工作压力的升高而增大。柱塞式液压马达因结构原因，会产生脱落与撞击现象，引起
14、压力波动。e.卸荷失控液压系统中的卸荷控制方式一般是通过换向阀控制溢流阀或采用M型中位机能的换向阀来实现，其液压回路分别如图1.4和图1.5所示。对于通过溢流阀卸荷的液压系统，主要症状是卸荷压力不为零，引起此类问题的原因是图1-4 图1-5e.卸荷失控 溢流阀主阀芯不能完全打开。当溢流阀主弹簧的预压缩量太大，弹簧过长或主阀芯卡滞等，都会造成卸荷不彻底。溢流阀在卸荷状态时，因外部原因，主阀芯压力平衡状态失控，如图1-1所示的例子。当换向阀卡死、不能充分打开时，系统压力也不能正常卸荷。e.卸荷失控采用M型中位机能换向阀的液压系统，卸荷失控问题可能有下列情形：换向阀装反，引起不卸荷。换向阀芯装反（M
15、型换向阀主阀芯不对称），引起不卸荷。换向阀复位弹簧折断，阀芯不回中位，必然影响卸荷。e.卸荷失控 比例压力阀在未得到控制信号时自动卸荷，如果比例电磁铁得到意外的电信号，系统压力自然不卸荷。此外，比例压力阀的主阀弹簧可调，如果调得过紧，也不能充分卸荷。二、速度失控及其原因 液压系统的速度（转速）失控，主要表现在执行元件速度慢、速度不可调、速度不稳定及爬行等。1.速度慢。液压机构运动速度慢，有多方面的原因，主要是：液压泵磨损，容积效率下降。换向阀磨损，产生内泄漏。溢流阀调节压力过低，使大量的油经溢流阀回油箱。执行元件磨损，产生内泄漏。系统中存在未被发现的泄漏口。串联在回路中的节流阀或调速阀未充分打
16、开，或其它原因使油路不通畅。系统的负载过大，难以推动。2.速度不可调 这类问题一般是由于流量控制阀卡死、锈死等原因引起的。电液比例调速阀如果用电气信号不能调节，则无法调整系统的速度。3.速度不稳定 引起这类问题的主要原因是 温度的变化引起泄漏量的变化，致使可供给负载的流量变化，这与温度变化引起系统压力变化的情形相似。节流阀的节流口存在低速稳定性问题，这与节流口结构形式及液压油污染程度等因素相关。液压系统混入空气后，在高压下气体受到压缩，当负载解除之后系统压力下降，压缩气体急速膨胀，使液压执行元件速度剧增。4.爬行。执行元件的爬行是液压系统常见的问题 “爬行”指液压执行元件运动缓慢与断断续续的情
17、形。引起爬行的主要原因是:油内混入空气，引起执行元件动作迟缓，反应滞后。压力调得过低，或调不高，或漂移下降，当负载加上各种阻力的总和与液压力大致相当时，执行元件表现为似动非动。系统内压力与流量过大的波动引起执行元件运动不均。4.爬行 液压系统磨损严重，工作压力增高则引起内泄漏显著增大。执行元件在未带负载时运动速度正常，一旦带上负载，速度立即下降。例如，平面磨床的主工作台液压缸在工件未碰到磨头时运动速度正常，一旦碰到磨头，速度变得非常慢就属于这类问题。导轨与液压缸运动方向不平行，导轨拉毛，润滑条件差，阻力大等，均会使液压缸运动困难且速度不稳定。电路失常也会引起执行元件运动状态不良。例如，当行程开
18、关接触不良时，供给电磁铁的电信号也可能是断断续续的，由此引起换向阀不能可靠地开启，并使执行元件的运动不稳定。三、动作失控及其原因 液压系统执行元件动作失控是常见的症状。主要表现在不能按设定的秩序起始动作与结束动作，出现意外的动作及动作不平稳等。1.动作不能按设定的秩序起始 引起这类问题的直接原因主要是换向阀没有正常开启，可能的影响因素有 换向阀阀芯卡死。换向阀顶杆弯曲。换向阀电磁铁烧坏。电线松脱。控制继电器失灵，使电信号不能正常传递，以及电路方面的其它原因使电信号中断。1.动作不能按设定的秩序起始 操作不当。有的开关与按钮没有处在正确的位置便会切断控制信号。例如，注塑机的安全门打开以后，不能实
19、现闭模运动，因为这时安全门将闭模运动的控制电路与控制油路切断了。有的注塑机在调模开关接通以后，其它动作的电路便切断了，此时不能进行别的动作。导致动作不能起始的其它原因有：串联在回路中的节流阀或调速阀卡死，无法实现正常动作。油液通道中任何一处出现意外堵塞，执行元件便不能正常启动。由于各种原因，液压动力源不能由卸荷状态转入工作状态，也不能正常地推动执行元件运动。当负载部分出现了故障，无法将它推动的情况也是偶有出现的。2.动作不能按设定的秩序结束 这类问题一般是由于换向阀不能及时关闭所引起，可能原因有 换向阀卡死，阀芯不能复位。换向阀弹簧折断，阀芯不能复位。换向阀的电信号未能及时消失（如行程开关故障
20、，时间继电器故障，中间继电器故障等）。3.出现意外的动作 这类问题主要有换向阀故障与电信号故障引起。换向阀的阀芯装反。如两位的换向阀开闭位置颠倒了，便会出现未通电便有动作的现象。由于电路的故障，电磁铁得到了错误的电信号，引起误动作。换向阀内部磨损严重，压力油可从其缝隙中通过，进入液压缸的两腔，如果液压缸是单活塞杆的，则活塞两边的受力面积A1与A2不等（AlA2），但两腔的油压力是相等的（plp2），故液压缸的活塞受到了一个朝有杆腔的作用力，并朝这一方向缓慢移动，其情形如图1-6所示。图1-6四、异常振动与噪声及其原因液压设备在运行时产生的振动与噪声超过了正常状态，表明系统存在问题，现简要介绍各
21、液压元件的振动与噪声。1.液压泵的振动与噪声。液压泵有多种振动与噪声，其原因与机理差异很大：液压泵的运动件磨损，引起压力与流量的脉动，同时使噪声增大。轴承磨损之后，泵的振动与机械噪声增大。油的粘度太高，吸油过滤器阻塞或油面过低，引起泵吸油困难，产生气穴，引起严重的噪声。轴向柱塞泵由于油污染，吸油不畅，引起滑靴与斜盘干摩擦，发出尖厉的声响。叶片泵转子断裂，引起压力波动及噪声。电动机与泵轴的联接不同轴或松动，引起机械噪声。一般情况下，齿轮泵与轴向柱塞泵的噪声比叶片泵大得多。2.液压马达的振动与噪声。液压马达的振动与噪声主要有下列几种情形：轴承及零部件磨损。液压马达传动轴与负载传动轴联接不同心。轴向
22、柱塞式液压马达因结构原因产生脱缸与撞击。3.溢流阀的振动与噪声溢流阀也是一个振动与噪声源，在大型溢流阀上，症状比较明显。主要的振动与噪声原因是阀座损坏，阀芯与阀孔配合间隙过大，以及阀芯因内部磨损、卡滞等引起动作不灵活等。溢流阀也可能由于谐振而产生严重的噪声及压力波动。例如，液压系统如图1-7所示。其故障症状为：当电液比例调速阀H08未通电，H02与H03的电磁铁同时得电时，系统出现严重的噪声及压力波动，但当H02或H03的一个电磁铁通电时没有这种现象。3.溢流阀的振动与噪声 噪声来自溢流阀。溢流阀是在液压力和弹簧力的相互作用下进行工作的，极易激起振动而发出噪声。对于这个系统，双泵输出的压力油经
23、单向阀合流，发生流体冲击与波动，引起单向阀振荡，从而导致液压泵输出压力不稳定。又由于泵输出的压力油本身就是脉动的，因此，泵输出的压力油波动加剧，便激起溢流阀振动。两个溢流阀结构相同，固有频率也相同，便引起溢流阀共振，发出异常噪声。后来将溢流阀HD03调低至15MPa，症状消失。此时，两个溢流阀调出的压力不等，比例阀H08未打开，HR03不会打开，两泵供出的压力油分别经各自的溢流阀回油箱，不致因合流而发生共振。4.电磁铁的振动与噪声电磁铁因阀芯卡滞，电信号断续，电磁阀两个电磁铁同时得电而产生明显的振动与噪声。5.管道的振动与噪声各类刚性管道，因安装不牢靠，或过长的管道没有合适的支承座，会因共振产
24、生明显的振动与噪声，且系统压力越高，问题越严重。五、异常温度升高及其原因液压系统油温及元件表面的温度升高是一个比较普遍的问题，这里介绍温升过高的主要原因。1.设计不当引起的温升过高如油泵排量过大使溢流量过大，油箱过小使散热因难，液压管路管径小，弯头多，管道长，无卸荷回路，引起系统发热量增大。2.使用不当引起的温升过高环境温度高，冷却条件差，油的粘度太高或太低，调节的功率太高，液压系统混入异物引起堵塞等，也会引起油温升高。液压泵内因油污染等原因吸不上油，引起干磨擦，会使泵内产生高温，并传递到液压泵的表面。电磁阀没有吸到位，使电流增大，引起电磁铁发热严重并烧坏电磁铁。3.液压元件磨损或系统存在泄漏
25、口引起的温升过高当液压泵磨损，有大量的泄漏油从排油腔流回吸油腔，引起节流发热，其它元件的情形与此相似。如果液压系统中存在意外泄漏口，由于节流发热会使油温急剧升高。五、液压系统故障诊断的方法 液压系统广泛用于现代化的机械设备中，具有良好的控制性和工艺适应性。液压设备的结构越复杂，自动化程度越高，发生故障的可能性越大，对生产造成的危害也越大。如何快速准确诊断液压设备的故障，已成为制约生产的关键因素。然而，液压元件和液压系统具有其不完全相同于机械设备的特殊性。其元件和工作液体都在封闭的油路内工作，不像其他机械设备那样直观，故障具有隐蔽性、多样性、不确定性和因果关系复杂性等特点，且故障出现后不易查找原
26、因。液压系统一旦发生故障，不仅导致设备受损，产品质量下降，生产线停工，而且可能危及人身安全，造成环境污染，带来巨大的经济损失。因此如何保证液压系统的正常运行，怎样及时发现故障，甚至提前发现故障的征兆，都是亟待解决的问题。液压系统故障诊断技术的发展，随着自动化技术和计算机理论的发展，也经历了从主观诊断到基于信号建模诊断，再到人工智能诊断的发展历程。1 主观诊断法 主观诊断法是指依靠简单的诊断仪器，凭借个人的实践经验，分析判断故障产生的原因和部位。常用的方法有以下几种。1.1“四觉四觉”诊断法诊断法 检修人员运用视觉、触觉、听觉和嗅觉来分析判断系统故障。对于一些较为简单的故障，可以通过眼看、手模、
27、耳听和嗅闻等手段，对零部件进行检查。1.2 对换诊断法对换诊断法 在维修现场缺乏诊断仪器或被查元件比较精密不宜拆开时，应采用此法。先将怀疑出现故障的元件拆下，换上新件或其他机器上工作正常、同型号的元件进行试验，看故障能否排除，即可做出诊断。1.3 系统图分析法系统图分析法 系统图分析法，是从液压系统的角度出发，根据液压系统的故障现象，以系统原理图作为指示，通过分析故障现象，确定故障所属回路，再确定发生故障的部件和元件，使故障分析和检查工作范围逐步缩小，以达到快速诊断和及时排除故障的目的。1.4 参数测量法参数测量法 参数测量法，就是借助对液压系统各部分液压油的压力、流量和油温的测量，来判断该系
28、统的故障点。1.5 方框图分析法方框图分析法 方框图分析法，是根据故障现象，罗列出可能发生这种故障的所有原因，然后根据现场实际工况，逐步找出故障原因。1.6 故障树分析法故障树分析法 故障树，是表示液压系统故障及液压元件故障之间的逻辑结构图，系统故障事件，画在故障树的顶端，为顶事件；形成系统故障的基本事件，画在故障树下，为底事件。2 数学模型与信息处理的诊断法2.1 铁谱记录诊断法铁谱记录诊断法 分析铁粉图谱，根据铁粉记录图片上的磨损粉末、大小和颜色等方面信息，可以准确得到液压系统的磨损与腐蚀的程度和部位。2.2 信号时信号时频域诊断法频域诊断法 采用信号时频分布分析法，从信号的时间频率获得诊
29、断对象特征信息，而且基于时变信号的分析法更适合于实际应用。目前较为流行Wigner 分布、小波分析等方法，对非平稳信号的特征信息抽取具有独特优点。2.3 随机信号频率响应法随机信号频率响应法 在液压伺服控制信号上，施加微弱的白噪声，通过测量控制系统响应特性，并且与初始值(正常值)的传递特性比较，确定系统状态以及发生异常的原因与部位。3 智能技术的诊断法3.1 神经网络的诊断法神经网络的诊断法 神经网络的诊断法，是利用神经网络具有非线性和自学习以及并行计算能力，使其在液压系统故障诊断方面，具有很大的优势。3.2 专家系统的诊断法专家系统的诊断法 专家系统的诊断法，是利用知识的永久性、共享性和易于
30、编辑等特点，广泛应用于液压系统故障诊断之中。基于专家系统的诊断法，由于知识是显式地表达的，具有很好的解释能力，虽然在知识获取上遇到了发展的“瓶颈”、“窄台阶”等困难，但由于神经网络所具有的容错能力、学习功能、联想记忆功能、分布式并行信息处理，较好地解决了这些困难。3.3 模糊逻辑的诊断法模糊逻辑的诊断法 模糊逻辑的诊断法，是借助模糊数学中的模糊隶属关系，提出的一种新的诊断方法。由于液压系统故障既有确定性的，也有模糊性的，而且这两种不同形式的故障相互交织、密切相连，通过探讨液压系统故障的模糊性，寻找与之相适应的诊断方法，有利于正确描述故障的真实状态，揭示其本质特征。液压设备往往是结构复杂而且是高精度的机、电、液一体化的综合系统，系统具有机液耦合、非线性、时变性等特点。引起液压故障的原因较多，加大了故障诊断的难度。但是液压系统故障，有着自身的特点与规律，正确把握液压系统故障诊断技术的发展方向，深入研究液压系统的故障诊断方法，不仅具有很强的实用性，而且具有很重要的理论意义。谢 谢！
