液压锚缆机平衡阀的故障分析

在液压锚缆机控制阀出现故障后会影响设备的操作，甚至会给船舶的安全航行带来极大危害。

1 故障现象

某船的其中1台液压锚缆机在进厂修理前存在如下问题：放缆操作时能正常运行放出、停止，而收缆操作时能正常地收紧缆绳，可一旦将操纵阀置于中位时，则收紧的缆绳在其张力的作用下马上松开，回到松弛的状态。对此现象，船员在操作时只能是1名船员将操纵阀置于收缆状态，另1名船员则操作绞缆滚筒的刹车手柄，使刹车带将滚筒制动，从而达到拉紧缆绳的目的。

2 液压锚缆机系统工作原理

从图1所示液压锚缆机系统原理图可知，液压泵站输出的压力油经流量和方向控制阀、平衡阀后，流入液压马达，图1中，流量和方向控制阀是带节流孔的三位四通阀，具有Y型中位机能；平衡阀是压力控制阀，当处于收缆状态时，油液可以打开单向阀而自由流动，一旦缆绳拖带的负荷过大，导致驱动液压马达的油压上升并超出了一定的工作压力后，溢流阀起跳而泄压保护；放缆状态时，只能在进油压力作用下打开外控顺序阀而回油，可以防止油马达在负载的拖带下回转速度不断加速而失控；而高低速转换阀则是当液压系统的工作压力超过或某个设定值后液压马达自动由高速低转矩转动变成低速大转矩工作状态；或当工作压力低于该设定值后，由低速大转矩变换成高速低转矩状态，以适应工作负荷的变化。

图1 锚缆机系统原理图

3 故障原因分析

该锚缆机的操纵阀在中位位置时收紧的缆绳在其张力的作用下马上松开，回到松弛的状态，说明了该系统中平衡阀的顺序阀或者单向阀始终处于开启状态，当液压马达受到外力拖动作用后，由于它的外控平衡阀失效，外部控制油压对平衡阀芯不起作用，从而产生了缆绳自动松开的现象。从该平衡阀的结构可知，它的外控管路在主阀芯的下腔有2个油道，其中1条是带有单向阀的油道，它的作用是使阀芯下腔中的油只能快速地泄放，另1条是带有阻尼孔的油道，它对于进入和流出阀芯下腔的液压油起限制作用，当阻尼孔与单向阀组合在一起后，对控制油进入阀芯下腔的流速起限制作用，而对于泄放则可以通畅流动。当外控单向阀因管路中存在的杂质等原因而造成了单向阀和阻尼孔的堵塞、卡死，阀芯下腔中的控制油无法泄放，则平衡阀的组合阀芯无法复位而使得顺序阀处于常通状态。这样原本可以由外控液压油控制的组合阀芯就处于常通状态，从而导致当缆绳拉紧后，即使流量和压力控制阀处于中位状态，平衡阀也不起作用。

所以平衡阀外控油路上的故障就是该系统工作异常的原因。

4 平衡阀收、放缆工作原理

该平衡阀是为了防止因外加负载拖带而保持背压的压力控制阀，由单向阀、外控型先导式顺序阀、安全阀（先导式溢流阀）组成，其工作原理如下。

处于收缆状态时（如图2所示），自流量与方向控制阀来的工作油液经A口到达单向阀处，当油液压力产生的作用力大于单向阀弹簧G₁的弹力时，单向阀打开，油液经此阀流向A'口，然后经流道和管路到达液压马达，驱动液压马达转动，而回油则从液压马达经管道和流道从B'口经阀体内的流道由B口流出，再由流量与方向控制阀流回油箱。

图2 平衡阀收缆工作示意图

放缆状态时（如图3所示），自流量和方向控制阀来的工作油液经B口直接由平衡阀内的流道到达阀口B'，然后经管道到达液压马达，驱动液压马达作放缆方向的回转运动，与此同时，驱动液压马达的液压油通过平衡阀中的L口，由油道经节流阻尼孔O进入到阀芯的下腔H中，在液压力的作用下，阀芯克服弹簧G₂的作用力，打开了阀口M，使得回油可以从A'口流入，经阀芯的M口从A口流出平衡阀，再经压力和流量控制阀而回油箱。

图3 平衡阀放缆工作示意图

5 平衡阀芯受力状态分析

5.1 正常工作状态下阀芯的受力状态

从液压系统原理图和平衡阀的结构可知，平衡阀中的顺序阀芯与单向阀是组合阀芯。

1）收缆状态。在收缆过程中，组合阀芯起单向阀的作用，该状态下，压力油作用于单向阀的球阀上，当压力油作用于球阀上的压力大于弹簧的力后，单向阀打开，使油道呈通路状态。由于单向阀中的弹簧主要用于克服摩擦力、阀芯（钢球）的重力和惯性力，并使阀芯在反向流动时能迅速关闭，所以单向阀中的弹簧比较软，一般开启压力为0.03～0.05MPa，相较于25MPa的最大工作压力而言是比较小的。收缆时系统的工作压力由负荷所决定。此时平衡阀芯（钢球）所受的力有液压力、稳态液动力、单向阀弹簧力、重力等，如图4。

图4 平衡阀收缆时阀芯的工作状态示意图

阀芯受力平衡方程如下：

式中：ΔP_A为流经单向阀产生的压力差；d为单向阀（球阀）座孔的直径；K₁为单向阀复位弹簧的刚度；X₀为单向阀复位弹簧的预压缩量；X₁为单向阀打开时复位弹簧的压缩量（即钢球的位移）；A_球为球阀阀口的过流面积，A_球=（π×d×h₀×X₁）/R，R为钢球半径，h₀为；C_d1为单向阀（球阀）的阀口流量系数；α₁为单向阀（球阀）的射流角；钢球的重力忽略不计。

2）放缆状态。放缆时组合阀芯中的顺序阀芯所受的力有阀芯底部的液压力，稳态液动力，组合阀芯复位弹簧力。当阀芯底部向上的液压力大于等于向下的阀芯复位弹簧力与稳态液动力之和，则组合阀芯的阀口M打开，如图5。此时阀芯受力平衡方程为：

即平衡阀最小开启压力P_K必须是大于进口压力P_H。

式中：P_H为液压系统驱动马达并打开组合阀芯的压力；D为顺序阀阀芯的直径；K₂为顺序阀复位弹簧的刚度；L为阀芯与阀体之间的油封长度；Y₀为顺序阀复位弹簧的预压缩量；Y₁为顺序阀打开时复位弹簧的压缩量（即阀的开度）；C_d2为顺序阀的阀口流量系数；α₂为顺序阀的阀口射流角，α₂=69°。

图5 平衡阀放缆时阀芯的工作状态示意图

放缆时，液压系统的压力必须大于P_H，才能打开组合阀芯。一旦组合阀芯底部的压力低于P_H值，则在复位弹簧力和稳态液压力的作用下，组合阀芯下降并关闭阀口M，即切断了液压马达的回油管路，使液压马达处于停止状态，从而保证了液压马达必须在压力大于P_H液压驱动力作用下才能回转，避免了外力拖带造成液压马达回转，从而保证了船舶的安全。

5.2 故障情况下阀芯的受力状态

当组合阀芯因杂质等原因造成下腔无法泄油，则组合阀芯将始终处于通路状态。在放缆状态下，液压马达只要有压力很低的液压油就能进行转动，而不是象正常状态下系统压力必须大于P_H，并将阀芯打开后才能工作。

6 解决方案

通过以上分析可知，该故障的原因在于平衡阀的外控单向阀控制管路堵塞所致。为此通过拆解控制阀组中的平衡阀及其中的单向阀，清除管路中的杂质，对相关阀及阀座的配合面进行检查，清通节流小孔，同时对相关的零部件也进行了清洁和疏通，用压缩空气进行吹扫，从而保证了外控平衡阀的正常工作。经回装试验后，该液压锚缆机的收缆和放缆操作均正常。