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摘 要：液压系统在冶金、矿山、船舶等许多重要领域得到了广泛应用并处于核心地位。在液压技术不断革新的背景下，液压系统日渐复杂，同时液压系统的故障诊断也变得更加困难。为使学生和工程技术人员更好地掌握液压系统故障诊断的技巧和方法，提出了液压系统的故障模拟方案，并完成了液压系统故障模拟试验台的总体设计。该试验台的成功开发不仅可以帮助从业人员认识常见液压故障现象，快速解决工程实际中遇到的问题，同时在深入理解液压系统的工作原理及故障诊断、排除方面也具有重要意义。
关键词：故障模拟;液压系统;试验台
0 引言
不同于机械设备，液压元件及其系统有其特殊性，即液压设备的元件、工作油液等大都密封在油路中，相较于机械设备具有不直观的缺陷，此外，其工作状态只能靠设备中仅有的压力表和流量计来指示，不能使用电气设备检查参数用的万用表、测试笔等电子仪器。因此，液压系统的故障主要表现出不确定因素多、隐蔽性强、种类多样、因果关系复杂、故障发生后难以查找等特点，且故障的突发会带来生产设备停工、造成重大经济损失等后果，因此在保障液压系统正常运行的前提下，如何预判故障及其征兆具有重要意义[1-2]。
1 设计要求与方案设计
1.1 设计要求
要求液压系统故障模拟试验台能够完成液压泵、液压缸、溢流阀和电磁阀等元件的故障模拟，系统最高压力7 MPa，流量不小于11 L/min。
1.2 方案设计
液压泵10气穴故障模拟：通过安装一个悬空的吸油过滤器11.2来模拟液压泵10的气穴故障[3]。
液压缸6内外泄漏故障模拟：通过在液压缸6的进油口并联一个节流阀1.3来模拟液压缸6进油路的外泄漏故障;通过在液压缸6的出油口并联一个节流阀1.5来模拟液压缸6出油路的外泄漏故障;在液压缸6的进出油口之间并联一个节流阀1.4来模拟液压缸6的内泄漏故障。
先导式溢流阀9.1内泄漏和弹簧折断故障模拟：溢流阀9.1进油路加截止阀3.2来模拟溢流阀阀芯在关闭位置卡死，在其进油路上并联一个节流阀1.7来模拟溢流阀9.1内泄漏和弹簧折断故障。
电磁换向阀7内泄漏故障模拟：利用节流阀1.6将换向阀7的P口和A口相连，来模拟换向阀7因阀芯磨损等原因导致的内泄漏故障。
先导式减压阀5故障模拟：利用一个节流阀1.1与油箱相通，模拟先导式减压阀5的远程调压口和泄油口接通，使减压阀5阀芯一直处于打开状态，故障现象为无法减压，以此来模拟锥阀和阀座配合间隙过大，减压阀锥阀弹簧折断、漏装，主阀芯在开启位置卡死等故障。
节流阀1.2故障模拟：将节流阀1.2与截止阀3.1串联来模拟节流阀1.2的阀芯在关闭位置卡死的故障现象;将节流阀1.1与节流阀1.2并联，来模拟节流阀阀芯磨损故障。
单向阀2故障模拟：将节流阀1.1与单向阀2并联，来模拟单向阀2阀芯磨损故障。
综合以上各方面，绘制故障模拟试验台液压系统原理图，如图1所示。
2 液压系统主要元件选择
在液压元件的规格、型号等参数选择方面，需要根据其在工作中的实际压力、流量指标来确定，此外电机功率、油箱体积等参数也需计算。
2.1 液压缸选择
这里选取内径为D=63 mm、活塞杆直径为d=45 mm的液压缸，代入无杆腔的有效作用面积公式，得到：
A1=（π/4）×d02=（π/4）×6.32≈31.17 cm2
代入有杆腔的有效作用面积公式，得到：
A2=A1-（π/4）×d02=31.17-（π/4）×4.52≈15.27 cm2
以液压缸伸出时的速度为2.4 m/s，计算液压缸所需的流量：
Q=vA/η=（2.4×102×31.17/1）×10-3≈7.5 L/min
2.2 液压泵及电机的选择
根据试验台设计要求，泵的最高压力为7 MPa，流量不小于11 L/min，宜选用寿命长、性能稳定、流量范围大、噪声小的YB-A型双作用叶片泵，其额定压力为7 MPa，公称排量为8 mL/r。液压泵的输入功率P为：
P=pq/η=（7×11）/（60×0.7）≈1.83 kW
因此选择Y100L1-4型电机，其转速为1 430 r/min，功率为2.2 kW。
2.3 液压阀及辅助元件的选择
故障模拟试验台液压元件明细表如表1所示。
2.4 液压油箱容积计算
本试验台试验时压力一般小于等于6.3 MPa，并根据qp=11.44 L/min，计算油箱的有效容积得：
V=（5～7）qp=（5～7）×11.44=57.2～80.08 L
圆整化处理，取V=80 L，一般将体积的80%视为有效的容积，因此计算得出油箱体积为V0=V/80%=80/80%=100 L。
3 液压系统性能验算
本试验台的液压系统在泵故障模拟试验的设计回路中效率为：
ηc=∑PQ/∑PpQp=（7.5×6.3）/（11.44×6.3）≈0.66
将各参数代入公式得，液压系统总效率为：
ηc=ηpηcηm=0.95×0.66×0.9≈0.56
液压泵的输入功率为：
Ppi=PpQp/ηp=7×11.44/（0.95×60）≈1.4 kW
则系统总发热量为：
H=Ppi（1-η）=1.4×（1-0.56）≈0.6 kW
由温升计算公式Δt=H/kA[传热系数k=15 W/（m2·℃）]和液压油箱的散热面积公式A=0.065，可计算液压系统的温升：
Δt==≈28.6 ℃
经过计算，此试验台的液压系统的温升在允许范围内，不需要加冷却器对液压系统进行降温冷却处理。
4 故障模拟试验台结构布置
液压系统故障模拟试验台总体结构布置如图2所示。
5 结语
本课题提出了液压系统故障模拟试验台故障模拟方案，并成功设计了试验台，该试验台可以完成液压泵、液压缸、溢流阀、单向阀、节流阀、换向阀、减压阀等元件的故障模拟试验。本试验台巧妙地利用替代的方法实现了在不损伤液压元件的情况下完成各种故障模拟的试验，可以使学生和工程技术人员直观地了解各种液压系统的故障现象，掌握液压系统故障诊断的技巧和方法，快速解决工程实际中遇到的问题，对于从业人员深入理解液压系统的工作原理及故障诊断、排除也具有重要意义。
[参考文献]
[1] 葛晓宁，林义忠.液压系统故障诊断的研究概况与发展趋势[J].液压与气动，2008（7）：1-3.
[2] 杨启敏，袁子荣，仲海卫，等.液压故障诊断技术的发展状况[C]//2000年全國流体动力与机电控制工程及制造技术学术会议论文集，2000：11-12.
[3] 黄志坚.液压系统典型故障治理方案200例[M].北京：化学工业出版社，2011.
收稿日期：2021-08-16
作者简介：王杰（1972—），女，河北黄骅人，工学硕士，教授，从事流体传动与控制技术的研究及教学工作。
关键词：故障模拟;液压系统;试验台
0 引言
不同于机械设备，液压元件及其系统有其特殊性，即液压设备的元件、工作油液等大都密封在油路中，相较于机械设备具有不直观的缺陷，此外，其工作状态只能靠设备中仅有的压力表和流量计来指示，不能使用电气设备检查参数用的万用表、测试笔等电子仪器。因此，液压系统的故障主要表现出不确定因素多、隐蔽性强、种类多样、因果关系复杂、故障发生后难以查找等特点，且故障的突发会带来生产设备停工、造成重大经济损失等后果，因此在保障液压系统正常运行的前提下，如何预判故障及其征兆具有重要意义[1-2]。
1 设计要求与方案设计
1.1 设计要求
要求液压系统故障模拟试验台能够完成液压泵、液压缸、溢流阀和电磁阀等元件的故障模拟，系统最高压力7 MPa，流量不小于11 L/min。
1.2 方案设计
液压泵10气穴故障模拟：通过安装一个悬空的吸油过滤器11.2来模拟液压泵10的气穴故障[3]。
液压缸6内外泄漏故障模拟：通过在液压缸6的进油口并联一个节流阀1.3来模拟液压缸6进油路的外泄漏故障;通过在液压缸6的出油口并联一个节流阀1.5来模拟液压缸6出油路的外泄漏故障;在液压缸6的进出油口之间并联一个节流阀1.4来模拟液压缸6的内泄漏故障。
先导式溢流阀9.1内泄漏和弹簧折断故障模拟：溢流阀9.1进油路加截止阀3.2来模拟溢流阀阀芯在关闭位置卡死，在其进油路上并联一个节流阀1.7来模拟溢流阀9.1内泄漏和弹簧折断故障。
电磁换向阀7内泄漏故障模拟：利用节流阀1.6将换向阀7的P口和A口相连，来模拟换向阀7因阀芯磨损等原因导致的内泄漏故障。
先导式减压阀5故障模拟：利用一个节流阀1.1与油箱相通，模拟先导式减压阀5的远程调压口和泄油口接通，使减压阀5阀芯一直处于打开状态，故障现象为无法减压，以此来模拟锥阀和阀座配合间隙过大，减压阀锥阀弹簧折断、漏装，主阀芯在开启位置卡死等故障。
节流阀1.2故障模拟：将节流阀1.2与截止阀3.1串联来模拟节流阀1.2的阀芯在关闭位置卡死的故障现象;将节流阀1.1与节流阀1.2并联，来模拟节流阀阀芯磨损故障。
单向阀2故障模拟：将节流阀1.1与单向阀2并联，来模拟单向阀2阀芯磨损故障。
综合以上各方面，绘制故障模拟试验台液压系统原理图，如图1所示。
2 液压系统主要元件选择
在液压元件的规格、型号等参数选择方面，需要根据其在工作中的实际压力、流量指标来确定，此外电机功率、油箱体积等参数也需计算。
2.1 液压缸选择
这里选取内径为D=63 mm、活塞杆直径为d=45 mm的液压缸，代入无杆腔的有效作用面积公式，得到：
A1=（π/4）×d02=（π/4）×6.32≈31.17 cm2
代入有杆腔的有效作用面积公式，得到：
A2=A1-（π/4）×d02=31.17-（π/4）×4.52≈15.27 cm2
以液压缸伸出时的速度为2.4 m/s，计算液压缸所需的流量：
Q=vA/η=（2.4×102×31.17/1）×10-3≈7.5 L/min
2.2 液压泵及电机的选择
根据试验台设计要求，泵的最高压力为7 MPa，流量不小于11 L/min，宜选用寿命长、性能稳定、流量范围大、噪声小的YB-A型双作用叶片泵，其额定压力为7 MPa，公称排量为8 mL/r。液压泵的输入功率P为：
P=pq/η=（7×11）/（60×0.7）≈1.83 kW
因此选择Y100L1-4型电机，其转速为1 430 r/min，功率为2.2 kW。
2.3 液压阀及辅助元件的选择
故障模拟试验台液压元件明细表如表1所示。
2.4 液压油箱容积计算
本试验台试验时压力一般小于等于6.3 MPa，并根据qp=11.44 L/min，计算油箱的有效容积得：
V=（5～7）qp=（5～7）×11.44=57.2～80.08 L
圆整化处理，取V=80 L，一般将体积的80%视为有效的容积，因此计算得出油箱体积为V0=V/80%=80/80%=100 L。
3 液压系统性能验算
本试验台的液压系统在泵故障模拟试验的设计回路中效率为：
ηc=∑PQ/∑PpQp=（7.5×6.3）/（11.44×6.3）≈0.66
将各参数代入公式得，液压系统总效率为：
ηc=ηpηcηm=0.95×0.66×0.9≈0.56
液压泵的输入功率为：
Ppi=PpQp/ηp=7×11.44/（0.95×60）≈1.4 kW
则系统总发热量为：
H=Ppi（1-η）=1.4×（1-0.56）≈0.6 kW
由温升计算公式Δt=H/kA[传热系数k=15 W/（m2·℃）]和液压油箱的散热面积公式A=0.065，可计算液压系统的温升：
Δt==≈28.6 ℃
经过计算，此试验台的液压系统的温升在允许范围内，不需要加冷却器对液压系统进行降温冷却处理。
4 故障模拟试验台结构布置
液压系统故障模拟试验台总体结构布置如图2所示。
5 结语
本课题提出了液压系统故障模拟试验台故障模拟方案，并成功设计了试验台，该试验台可以完成液压泵、液压缸、溢流阀、单向阀、节流阀、换向阀、减压阀等元件的故障模拟试验。本试验台巧妙地利用替代的方法实现了在不损伤液压元件的情况下完成各种故障模拟的试验，可以使学生和工程技术人员直观地了解各种液压系统的故障现象，掌握液压系统故障诊断的技巧和方法，快速解决工程实际中遇到的问题，对于从业人员深入理解液压系统的工作原理及故障诊断、排除也具有重要意义。
[参考文献]
[1] 葛晓宁，林义忠.液压系统故障诊断的研究概况与发展趋势[J].液压与气动，2008（7）：1-3.
[2] 杨启敏，袁子荣，仲海卫，等.液压故障诊断技术的发展状况[C]//2000年全國流体动力与机电控制工程及制造技术学术会议论文集，2000：11-12.
[3] 黄志坚.液压系统典型故障治理方案200例[M].北京：化学工业出版社，2011.
收稿日期：2021-08-16
作者简介：王杰（1972—），女，河北黄骅人，工学硕士，教授，从事流体传动与控制技术的研究及教学工作。