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在液壓錨纜機(jī)控制閥出現(xiàn)故障后會影響設(shè)備的操作，甚至?xí)o船舶的安全航行帶來極大危害。

1 故障現(xiàn)象

某船的其中1臺液壓錨纜機(jī)在進(jìn)廠修理前存在如下問題：放纜操作時能正常運(yùn)行放出、停止，而收纜操作時能正常地收緊纜繩，可一旦將操縱閥置于中位時，則收緊的纜繩在其張力的作用下馬上松開，回到松弛的狀態(tài)。對此現(xiàn)象，船員在操作時只能是1名船員將操縱閥置于收纜狀態(tài)，另1名船員則操作絞纜滾筒的剎車手柄，使剎車帶將滾筒制動，從而達(dá)到拉緊纜繩的目的。

2 液壓錨纜機(jī)系統(tǒng)工作原理

從圖1所示液壓錨纜機(jī)系統(tǒng)原理圖可知，液壓泵站輸出的壓力油經(jīng)流量和方向控制閥、平衡閥后，流入液壓馬達(dá)，圖1中，流量和方向控制閥是帶節(jié)流孔的三位四通閥，具有Y型中位機(jī)能；平衡閥是壓力控制閥，當(dāng)處于收纜狀態(tài)時，油液可以打開單向閥而自由流動，一旦纜繩拖帶的負(fù)荷過大，導(dǎo)致驅(qū)動液壓馬達(dá)的油壓上升并超出了一定的工作壓力后，溢流閥起跳而泄壓保護(hù)；放纜狀態(tài)時，只能在進(jìn)油壓力作用下打開外控順序閥而回油，可以防止油馬達(dá)在負(fù)載的拖帶下回轉(zhuǎn)速度不斷加速而失控；而高低速轉(zhuǎn)換閥則是當(dāng)液壓系統(tǒng)的工作壓力超過或某個設(shè)定值后液壓馬達(dá)自動由高速低轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動變成低速大轉(zhuǎn)矩工作狀態(tài)；或當(dāng)工作壓力低于該設(shè)定值后，由低速大轉(zhuǎn)矩變換成高速低轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，以適應(yīng)工作負(fù)荷的變化。

圖1 錨纜機(jī)系統(tǒng)原理圖

3 故障原因分析

該錨纜機(jī)的操縱閥在中位位置時收緊的纜繩在其張力的作用下馬上松開，回到松弛的狀態(tài)，說明了該系統(tǒng)中平衡閥的順序閥或者單向閥始終處于開啟狀態(tài)，當(dāng)液壓馬達(dá)受到外力拖動作用后，由于它的外控平衡閥失效，外部控制油壓對平衡閥芯不起作用，從而產(chǎn)生了纜繩自動松開的現(xiàn)象。從該平衡閥的結(jié)構(gòu)可知，它的外控管路在主閥芯的下腔有2個油道，其中1條是帶有單向閥的油道，它的作用是使閥芯下腔中的油只能快速地泄放，另1條是帶有阻尼孔的油道，它對于進(jìn)入和流出閥芯下腔的液壓油起限制作用，當(dāng)阻尼孔與單向閥組合在一起后，對控制油進(jìn)入閥芯下腔的流速起限制作用，而對于泄放則可以通暢流動。當(dāng)外控單向閥因管路中存在的雜質(zhì)等原因而造成了單向閥和阻尼孔的堵塞、卡死，閥芯下腔中的控制油無法泄放，則平衡閥的組合閥芯無法復(fù)位而使得順序閥處于常通狀態(tài)。這樣原本可以由外控液壓油控制的組合閥芯就處于常通狀態(tài)，從而導(dǎo)致當(dāng)纜繩拉緊后，即使流量和壓力控制閥處于中位狀態(tài)，平衡閥也不起作用。

所以平衡閥外控油路上的故障就是該系統(tǒng)工作異常的原因。

4 平衡閥收、放纜工作原理

該平衡閥是為了防止因外加負(fù)載拖帶而保持背壓的壓力控制閥，由單向閥、外控型先導(dǎo)式順序閥、安全閥（先導(dǎo)式溢流閥）組成，其工作原理如下。

處于收纜狀態(tài)時（如圖2所示），自流量與方向控制閥來的工作油液經(jīng)A口到達(dá)單向閥處，當(dāng)油液壓力產(chǎn)生的作用力大于單向閥彈簧G₁的彈力時，單向閥打開，油液經(jīng)此閥流向A'口，然后經(jīng)流道和管路到達(dá)液壓馬達(dá)，驅(qū)動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動，而回油則從液壓馬達(dá)經(jīng)管道和流道從B'口經(jīng)閥體內(nèi)的流道由B口流出，再由流量與方向控制閥流回油箱。

圖2 平衡閥收纜工作示意圖

放纜狀態(tài)時（如圖3所示），自流量和方向控制閥來的工作油液經(jīng)B口直接由平衡閥內(nèi)的流道到達(dá)閥口B'，然后經(jīng)管道到達(dá)液壓馬達(dá)，驅(qū)動液壓馬達(dá)作放纜方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，與此同時，驅(qū)動液壓馬達(dá)的液壓油通過平衡閥中的L口，由油道經(jīng)節(jié)流阻尼孔O進(jìn)入到閥芯的下腔H中，在液壓力的作用下，閥芯克服彈簧G₂的作用力，打開了閥口M，使得回油可以從A'口流入，經(jīng)閥芯的M口從A口流出平衡閥，再經(jīng)壓力和流量控制閥而回油箱。

圖3 平衡閥放纜工作示意圖

5 平衡閥芯受力狀態(tài)分析

5.1 正常工作狀態(tài)下閥芯的受力狀態(tài)

從液壓系統(tǒng)原理圖和平衡閥的結(jié)構(gòu)可知，平衡閥中的順序閥芯與單向閥是組合閥芯。

1）收纜狀態(tài)。在收纜過程中，組合閥芯起單向閥的作用，該狀態(tài)下，壓力油作用于單向閥的球閥上，當(dāng)壓力油作用于球閥上的壓力大于彈簧的力后，單向閥打開，使油道呈通路狀態(tài)。由于單向閥中的彈簧主要用于克服摩擦力、閥芯（鋼球）的重力和慣性力，并使閥芯在反向流動時能迅速關(guān)閉，所以單向閥中的彈簧比較軟，一般開啟壓力為0.03～0.05MPa，相較于25MPa的*大工作壓力而言是比較小的。收纜時系統(tǒng)的工作壓力由負(fù)荷所決定。此時平衡閥芯（鋼球）所受的力有液壓力、穩(wěn)態(tài)液動力、單向閥彈簧力、重力等，如圖4。

圖4 平衡閥收纜時閥芯的工作狀態(tài)示意圖

閥芯受力平衡方程如下：

式中：ΔP_A為流經(jīng)單向閥產(chǎn)生的壓力差；d為單向閥（球閥）座孔的直徑；K₁為單向閥復(fù)位彈簧的剛度；X₀為單向閥復(fù)位彈簧的預(yù)壓縮量；X₁為單向閥打開時復(fù)位彈簧的壓縮量（即鋼球的位移）；A_球為球閥閥口的過流面積，A_球=（π×d×h₀×X₁）/R，R為鋼球半徑，h₀為；C_d1為單向閥（球閥）的閥口流量系數(shù)；α₁為單向閥（球閥）的射流角；鋼球的重力忽略不計(jì)。

2）放纜狀態(tài)。放纜時組合閥芯中的順序閥芯所受的力有閥芯底部的液壓力，穩(wěn)態(tài)液動力，組合閥芯復(fù)位彈簧力。當(dāng)閥芯底部向上的液壓力大于等于向下的閥芯復(fù)位彈簧力與穩(wěn)態(tài)液動力之和，則組合閥芯的閥口M打開，如圖5。此時閥芯受力平衡方程為：

即平衡閥*小開啟壓力P_K必須是大于進(jìn)口壓力P_H。

式中：P_H為液壓系統(tǒng)驅(qū)動馬達(dá)并打開組合閥芯的壓力；D為順序閥閥芯的直徑；K₂為順序閥復(fù)位彈簧的剛度；L為閥芯與閥體之間的油封長度；Y₀為順序閥復(fù)位彈簧的預(yù)壓縮量；Y₁為順序閥打開時復(fù)位彈簧的壓縮量（即閥的開度）；C_d2為順序閥的閥口流量系數(shù)；α₂為順序閥的閥口射流角，α₂=69°。

圖5 平衡閥放纜時閥芯的工作狀態(tài)示意圖

放纜時，液壓系統(tǒng)的壓力必須大于P_H，才能打開組合閥芯。一旦組合閥芯底部的壓力低于P_H值，則在復(fù)位彈簧力和穩(wěn)態(tài)液壓力的作用下，組合閥芯下降并關(guān)閉閥口M，即切斷了液壓馬達(dá)的回油管路，使液壓馬達(dá)處于停止?fàn)顟B(tài)，從而保證了液壓馬達(dá)必須在壓力大于P_H液壓驅(qū)動力作用下才能回轉(zhuǎn)，避免了外力拖帶造成液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)，從而保證了船舶的安全。

5.2 故障情況下閥芯的受力狀態(tài)

當(dāng)組合閥芯因雜質(zhì)等原因造成下腔無法泄油，則組合閥芯將始終處于通路狀態(tài)。在放纜狀態(tài)下，液壓馬達(dá)只要有壓力很低的液壓油就能進(jìn)行轉(zhuǎn)動，而不是象正常狀態(tài)下系統(tǒng)壓力必須大于P_H，并將閥芯打開后才能工作。

6 解決方案

通過以上分析可知，該故障的原因在于平衡閥的外控單向閥控制管路堵塞所致。為此通過拆解控制閥組中的平衡閥及其中的單向閥，清除管路中的雜質(zhì)，對相關(guān)閥及閥座的配合面進(jìn)行檢查，清通節(jié)流小孔，同時對相關(guān)的零部件也進(jìn)行了清潔和疏通，用壓縮空氣進(jìn)行吹掃，從而保證了外控平衡閥的正常工作。經(jīng)回裝試驗(yàn)后，該液壓錨纜機(jī)的收纜和放纜操作均正常。