修机 | 数字化液压测试技术在液压振动锤故障检测上的应用

液压振动锤是挖掘机的一种新型辅具，可将挖掘机改装成打桩机，用于将成品桩植入地面，拓展了挖掘机功能。该种液压振动锤与传统液压振动锤相比，具有优良的动力学特性和可控制性，并具有效率高、振动小、噪声低、无污染、结构简单等优点,符合当今环保理念。该产品可以广泛应用于隧道、桥梁和码头等桩基施工中,正逐渐代替传统的打桩设备，并已形成系列化产品。液压振动锤工作时下压力及振动力较大，容易出现故障，本文介绍采用数字化液压测试技术，对某液压振动锤进行故障检测的方法。

一、液压振动锤结构原理

1.结构

挖掘机铲斗拆卸后，将液压振动锤的悬臂安装在挖掘机斗杆端部，并将液压管路接在挖掘机的备用控制阀上，利用挖掘机液压系统的动力源驱动液压振动锤，安装方法如图1a所示。

某品牌35t级液压振动锤结构如图1b所示。打桩时夹紧缸2驱动夹钳(需根据成品桩不同直径或截面形式配装夹钳)，使夹钳夹住成品桩杆的端部，操作挖掘机臂架抬高，使桩杆竖起并定位，再启动液压振动锤的振动器，利用挖掘机臂架和液压振动锤自重及振动力，即可将成品桩逐渐植入地面，直至到位。

2.原理

该液压振动锤液压系统原理如图2所示。适宜配装液压振动锤的挖掘机主泵须有2个柱塞泵，液压振动锤的振动频率也有2个挡，单泵供油为低频挡，双泵合流供油为高频挡，挡位切换由挖掘机控制。挖掘机通过备用控制阀6供油后，通过电磁控制阀块5控制振动马达1、夹紧缸2、回转马达3动作。该液压振动锤高挡位时振动马达的转速为2500r/min，液压振动锤最大频率为41.7Hz，系统工作压力为35MPa。

二、测试原因

该液压振动锤工作不到1000h，经常出现振动马达严重损坏故障。使用传统的压力表进行检测，得不到精确参数，无法排查出故障原因。因此，我们决定使用精密的数字式测试仪进行测试，并通过对测试曲线进行分析，找到振动马达损坏的原因。

三、测试

1.测试项目

由于该液压振动锤故障主要出现在振动马达，需对振动马达进行如下测试:一是测试振动马达的压力冲击及单位时间压力增量，即对“压力梯度”进行测试;二是测试振动马达的转速;三是振动马达停止时的吸空情况。

2.测试仪器

使用HPM4030型测试仪进行测试，该测试仪为数字式测试仪，扫描精度为5ms，测试压力范围为0~60MPa，并可通过连接线与电脑接驳，管路及电脑连接线连接方法如图3所示。

3.测试方法

该液压振动锤上可以配装型号为A2FM107型和A2FM125型2种振动马达，其额定转速均为4000r/min,，额定压力均为35MPa，最高压力均为40MPa，高压口的最小压力均为2.5MPa。最大允许升压速率为0.9MPa/ms。

振动马达的启动瞬间测试升压速率，停止瞬间测试降压速率，每个启停循环为2个测试

工况。测试时为双泵合流供油，图3中的单向阀4处的流量为120L/min，溢流阀的压力设定为35MPa。

四、测试过程

为了了解挖掘机液压系统的运行情况，便于提出改进意见，需要连接挖掘机液压系统进行测试，分析并掌握挖掘机与液压振动锤液压系统的匹配情况以便改进。

1.转速测试

测试振动马达压力稳定后的结果如图4所示。将曲线放大后，看到流量脉动，我们数出脉动频率以确定振动马达的转速。图4中脉动为60次/s，换算后得到马达转速为3600r/min。

2.测试启动压力

我们在同一液压振动锤上分别安装了2种振动马达，排量分别为125mL/r和107mL/r，再分别进行了测试。安装125mL/r马达测得的曲线如图5所示，启动压力为36.3MPa。

安装107mL/r马达测得的曲线如图6所示，启动压力为43.5MPa。同一液压振动锤的负载不变，振动马达的输入压力与排量成反比，故2种振动马达压力比值为0.856。

3.测试振动马达停止状况

液压振动锤的激振装置通过偏心块高速旋转实现振动，当液压油源突然停止时，由于惯性的原因，偏心块会继续旋转，并驱动液压马达旋转。该液压振动锤进油口由于断油无压力，振动马达的继续旋转会产生吸空趋势，而原来的回油口则由于阀的关闭，振动马达继续旋转会使其回油腔压力增高，进油腔出现吸空现象。空转时间可达17s，如图7所示。

五、故障原因分析

对以上测试结果进行分析，得出该液压振动锤故障原因有以下3个:一是测试液压马达转速为3600r/min，由此得出液压振动锤振频为60Hz，远远超过正常的振动频率。高速冲击振动，会造成轴承损坏。柱塞与缸体配合超出设计载荷，导致早期磨损，因此液压马达故障率高，寿命缩短。二是液压马达的压力达到43MPa。已经超出了液压马达的最高压力40MPa;持续高压会造成柱塞与缸体产生临界磨损，配油盘产生“跳盘”，瞬间溢流增大，壳体压力瞬时增大，主轴密封被冲破。三是液压马达停止后吸空。马达吸空会造成内部元件无油，导致摩擦副的润滑能力下降，甚至造成马达卡死。

六、改进方法

1.增加单向阀

在振动马达进出油口的油路之间增加1个单向阀，如图2中的单向阀4，确保挖掘机备用控制阀6和电磁控制阀块5关闭时，振动马达在自泵油模式将封闭油腔导通，以满足振动马达的瞬间流量。

检测排油量107mL/r的振动马达转速达3600r/min，振动马达停机的瞬间流量为转速与排量的乘积，故选择单向阀流量，必须高于振动马达停机的瞬间流量。单向阀流量达到385L/min。

2.控制流量

液压振动锤正常振动频率应为40~45Hz，振动马达的转速应控制在2400~2800r/min，振动马达转速取2500r/min为宜，计算出流量应为267.5L/min。

在选择单向阀时，应使其能够控制流量，应小于或等于267.5L/min。也可通过合理选择振动马达，如选择排量为107mL/r的振动马达并控制发动机转速，将流量控制在合理范围内。

七、改进效果

1.检测结果

我们对改进效果进行了测试验证。测试结果如图8所示。经过系统优化后的液压振动锤，启动压力得到制控，达到30MPa。停止后，振动马达泵油模式时压力仍然有一定负压，但是负压的时间仅仅为0.3s。

2.结论

通过对系统的检测，从压力曲线可以看出，系统工作压力得到有效控制，液压吸空现象基本消失，液压元件早期磨损问题得到有效解决。改进系统后，各液压元件的寿命大大增加。

通过应用数字化液压测试技术，使我们对该方法认识得到提高:一是数字测试仪可以捕捉到普通压力表无法测出或肉眼无法识别的压力冲击，测试的扫描速率为每秒200个数据，可以准确地捕捉到5ms内发生的压力变化。二是可以通过对曲线的分析，可准确地得到液压系统和元件的工况，并且根据压力脉冲，还可以得到其他相关参数，对液压系统故障诊断帮助很大。

本文选自：《工程机械与维修》杂志，2019年第4期

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