液壓與氣壓傳動模塊七

液壓與氣動技術

模塊七液壓、氣動系統故障診斷與排除學習單元一液壓系統故障診斷與排除氣動系統故障診斷與排除學習單元二模塊導讀

液壓、氣動系統廣泛應用于工業生產領域和工程機械中，依靠壓力能來傳遞信號和動力，傳遞介質被封閉于密封容腔內。系統有故障時，判斷故障點成為初學者的一個障礙。如果設備的電氣故障或其他故障摻雜其中，更會給維修者帶來麻煩。本模塊主要介紹液壓、氣動故障現象與故障源的關系，故障診斷方法等。一般是學員在完成本教材模塊一～模塊六內容的學習，并且有一定的實訓練習經歷后，才能進行本模塊學習。

模塊七液壓、氣動系統故障診斷與排除

如圖7-1所示為定量泵供油系統的液壓鎖緊回路，已知1.1調節系統壓力為50bar,1.3調節通過流量為2L/min，液壓缸活塞直徑為25mm，活塞桿直徑為16mm，活塞行程為200mm，油缸負載為320N，液壓泵流量為4L/min。試結合液壓鎖緊回路圖分析下列問題，并在實驗臺上搭接回路，模擬問題（5）檢驗分析結論是否正確。

任務介紹

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（1）液壓鎖緊回路圖及元件的作用是什么？（2）計算活塞桿伸出和返回時間。（3）為什么有時需要在液壓設備中設置液壓鎖緊？（4）1.3是什么閥？該閥有何優缺點？（5）哪些閥能阻止負載下降？如果活塞桿在停泵狀態下下降，如何區分具體是由于哪個閥引起的？（6）還有哪些因素會引起負載下降？如何判斷是由該因素引起活塞桿在停泵狀態下下降的？

任務介紹

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圖7-1定量泵供油系統的液壓鎖緊回路

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要想完成任務分析，圖7-1中各元件都需要認識和了解的，還要掌握液壓缸計算，常用液壓件的作用及工作特點以及液壓系統故障產生原因和解決對策。這些內容是基于前面學習模塊內容基礎之上測試學習者對所學知識能否達到靈活運用和是否具備了分析解決實際問題能力的一個很好的檢驗。因此，有必要對相關知識進行總結歸納。通過對液壓系統的常見故障現象分析，掌握液壓系統的維修知識是本單元所要學習的內容。

任務分析

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知識目標

（1）掌握各種液壓元件作用、結構、工作原理、符號及使用注意事項；（2）能讀懂簡單的液壓原理圖，能正確分析力傳遞與信號傳遞的路線；（3）能讀懂簡單的繼電器控制原理圖及簡單的PLC程序；（4）了解簡單液壓設備一般使用注意事項；（5）掌握基礎液壓系統故障診斷與排除的基本方法。

學習目標

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能力目標

（1）能夠正確將液壓、電氣原理圖中各元件與實際設備中各元件一一對應；（2）能夠識別和正確操作各種不同的電氣開關，開、閉觸點的判斷和連接，能夠進行繼電器線路的連接；（3）能夠根據簡單液壓系統的故障現象判斷可能的故障原因；（4）能夠根據液壓系統故障原因給出可行的解決方案。

學習目標

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一、液壓設備基本特征

（1）液壓設備是一種動力傳遞與控制裝置，通過它可根據需要實現機械能—液壓能—機械能的二次轉換。（2）液壓設備又是一種綜合多種技術的設備，包括機械、液壓傳動、電氣、電子、計算機及PLC等技術，如圖7-2所示為液壓產品應用舉例。（3）液壓設備故障診斷與監測涉及各類測試手段，它與測試技術不可分離,設備故障診斷人員不僅應掌握有關的測試技術的基礎知識，還應熟練掌握有關的測試技能。

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圖7-2液壓產品應用舉例

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二、液壓設備故障概念

液壓設備故障是指液壓元件或系統喪失了應達到的功能或出現某些問題。“功能喪失”有幾種情況：完全喪失功能是破壞性故障（如泵軸扭斷、電磁鐵燒壞）；降低功能是功能性故障（如泵容積效率下降、氣缸速度減慢）；由人們錯誤操作與裝配引起的故障是誤動作故障。“出現問題”的系統會產生振動、噪聲。而系統功能的喪失與出現問題往往聯系在一起，它們都是液壓裝置內部條件（結構狀況）及外部條件（輸入量）未滿足其正常運行的要求所引起的。

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三、液壓系統故障分析1.液壓故障的屬性1）故障種類（1）初期故障（2）突發故障（3）老化故障

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2）故障元件

如圖7-3所示為高壓小流量與低壓大流量組合的雙泵供油液壓系統元件故障診斷，當液壓缸負載較小時，兩個泵同時供油，為低壓大流量工作狀態；當液壓缸負載增大，系統壓力大于右邊溢流閥調定壓力時，低壓大流量泵卸荷，而左邊高壓小流量泵繼續供油。如果系統壓力不能升高時，只有讀懂液壓原理圖才能判斷出可能的故障元件，左邊的溢流閥故障或左邊的液壓泵故障。圖7-3雙泵供油液壓系統元件故障診斷

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3）故障參量

故障參量即表征液壓裝置功能喪失或出現問題的物理量。如壓力、流量、泄漏量、速度（轉速）、力（轉矩）、動作順序、位置、效率、振動、噪聲及吸油口的真空度等，上述參量值超出了規定的范圍，即表明系統發生了故障。

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4）故障癥狀

故障癥狀即故障參量超出了規定的范圍，且被人們觀測到的現象。它是故障的外在表現。

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5）故障信息

故障信息即反映液壓裝置內部損壞情況的特征信息。故障癥狀顯然是故障信息，另外，設備的異常現象、報警信號、系統測試分析結論、設備的使用期限、維護保養狀況、運行及修理記錄等在一定的條件下也是故障信息，故障信息與故障成某種對應關系，它是判斷故障的起點和依據。

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6）故障原因

故障原因即引起故障的初始原因，主要有油污染、機械磨損與斷裂失效、設計制造問題、安裝問題、環境條件不符、人為因素等。因果關系分析是具體的現場液壓故障分析的主要內容，找出最初原因是其直接目的。如圖7-4所示液壓卸荷回路故障診斷，均為先導式溢流閥通過二位二通電磁換向閥控制遙控口，帶電保壓、斷電卸荷。如果系統卸荷失效，可能原因為：油液污染，造成電磁換向閥閥芯卡死、遙控口堵塞等。電磁鐵不能斷電也會造成系統卸荷失效。

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圖7-4液壓卸荷回路故障診斷7）故障范圍

故障范圍即故障的涉及面。有的故障是單一性的，有的故障是綜合性的。前者是由個別因素異常引起的結果，而后者則會涉及多環節參與部分。液壓油臟引起液壓系統多處閥芯卡死，電磁鐵燒壞等；設備使用時間長，多處磨損，引起系統壓力與流量下降等就屬于綜合性故障。

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8）故障強度

故障強度即故障的嚴重程度，也就是液壓裝置損壞的嚴重程度。嚴重故障強度高，輕微故障強度低。在現場應注意發現故障苗頭，避免嚴重故障。輕微故障往往信息量不充分，現象不明顯，所以故障分析的難度會更大。

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9）劣化速度

故障范圍即故障的涉及面。有的故障是單一性的，有的故障是綜合性的。前者是由個別因素異常引起的結果，而后者則會涉及多環節參與部分。液壓油臟引起液壓系統多處閥芯卡死，電磁鐵燒壞等；設備使用時間長，多處磨損，引起系統壓力與流量下降等就屬于綜合性故障。

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10）故障時效

故障時效即故障的作用持續狀況。有的故障是暫時的、間斷性的、時有時無的。例如，污染物堵住了節流口，后來油液沖走了污染物；由于行程開關緊固件的松動，換向閥可能不會及時換向。而另一些故障一旦出現，只有在修理或更換零件之后系統才能恢復功能，這類故障是永久性故障。暫時性故障原因在外部，永久性故障的直接原因在元件內部。

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11）故障頻率

故障頻率即故障出現的頻繁性。有的故障經常出現，有的故障偶爾出現。對經常出現的故障，應考慮采取有力措施消除其根本原因。偶發性故障分析起來則要困難得多。

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2.液壓系統故障的重要特點

1）隱蔽性

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液壓裝置的損壞與失效往往發生在深層內部。如圖7-5所示，當3個二位二通電磁換向閥都不帶電時，系統壓力為p1，當最下面電磁換向閥電磁鐵帶電時，系統卸荷；當中間電磁換向閥電磁鐵帶電時，系統壓力為p3；當最上面電磁換向閥電磁鐵帶電時，系統壓力為p2。如果系統一直不能建立壓力，故障原因可能是先導式溢流閥本身所帶先導閥不能建壓，下面電磁換向閥電磁鐵一直帶電或換向閥閥芯卡死，P口與T口接通狀態等。要想判斷具體原因，還需進一步做工作。圖7-5液壓系統分級調壓回路故障診斷

2）交錯性

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液壓系統的故障，其癥狀與原因之間存在各種各樣的重疊與交叉。一個故障源也可能引起多處癥狀。一個癥狀也可能同時是由多個故障源疊加起來形成的。對于一個癥狀有多種可能原因的情形，應采取有效手段剔除不存在的原因。對于一個故障源產生多個癥狀的情形，可利用多個癥狀的組合去確定故障源。對于疊加現象應全面考慮各影響因素，并分清各因素作用的主次輕重。

3）隨機性

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液壓系統在運行過程中受到各種各樣的隨機性因素的影響，如電網電壓的變化、環境溫度的變化、機器工作任務的變化等。外界污染物的侵入也是隨機性的。由于隨機性因素的影響，故障具體發生的變化方向更不確定，會造成判斷與定量分析的困難。

4）差異性

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由于設計、加工材料及應用環境等的差異，液壓元件的磨損劣化速度相差很大。一般的液壓元件壽命標準在現場無法應用，只能對具體的液壓設備與液壓元件確定具體的磨損評價標準，這又需要積累長期的運行數據。3.液壓系統故障分析診斷方法

1）替換法

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將同類型、同結構、同原理的油壓系統上的相同元件置換（互換）安裝在同一位置上，以證明被換元件是否工作可靠。如圖7-6所示，當二位四通電磁換向閥電磁鐵斷電時，活塞桿慢速伸出；當電磁鐵帶電時，活塞桿快速返回。圖7-6液壓調速回路故障診斷

2）輔助法

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借助于簡單的輔助零件對液壓系統的液壓元件是否出現故障進行診斷。如采用截堵法，堵住閥等元件的油口和油缸油口，可以診斷出這些液壓元件是否泄漏和失效；如用頂桿使換向閥換向，可診斷出換向閥是否出現如卡死、閥芯不到位等故障。3）邏輯推理

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需要豐富的知識與經驗，足夠的現場信息,不遺漏相關因素，較強的分析能力，判斷結論需加以驗證，善于歸納總結，用不同的方式分析考察同一問題，不斷提高邏輯思維能力。4.液壓系統故障診斷的發展1）現行的方法

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要求維修人員具有液壓系統基礎知識和較強的分析能力方可保證診斷的效率和準確性。但診斷過程較繁瑣，須經過大量的檢查、驗證工作，而且只能是定性地分析，診斷出的故障原因不夠準確。由于機械設備工作狀態的多樣性，其液壓系統故障診斷技術的發展趨勢是迅速化、不解體化、高精度化、智能化及網絡化。2）功能診斷法

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“問”就是問現場人員設備運行和故障出現時的設備狀態。（1）液壓系統工作是否正常，液壓泵有無異常現象。（2）液壓油更換時間，濾網是否清潔。（3）發生事故前閥是否調節過，有哪些不正常現象。（4）發生事故前對密封件或液壓件是否更換過。（5）發生事故前后液壓系統出現過哪些不正常現象。（6）過去經常出現過哪些故障，是怎樣排除的。

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“聞”指用耳聽和鼻聞來感知一些關鍵元件的運行情況。（1）噪聲。油泵和液壓系統工作時的噪聲是否過大，噪聲的特征及各類閥的聲音。（2）沖擊聲。油缸換向時沖擊聲，油缸活塞是否有撞擊缸底的聲音，換向閥換向時是否有嚴重撞擊端蓋的現象。（3）氣蝕聲。檢查油泵是否吸進空氣。（4）敲打聲。油泵運轉時是否有因損壞引起的敲打聲。（5）油液是否發臭變質，橡膠件是否因過熱發出特殊的氣味等。

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A（1）溫升。B（2）振動。C（3）爬行。D（4）松動。“切”就是感受設備的故障狀態。

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如圖7-7所示為快進工進速度切換回路故障診斷。圖7-7快進-工進切換回路故障診斷5.液壓系統常見故障及解決對策1）壓力失控問題及消除壓力控制缺陷的改進措施

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（1）系統無壓力。設如圖7-8所示先導式溢流閥，因為結構中1、2兩個孔徑只有0.8～1.2mm的節流孔，所以當油液被污染時，很容易造成兩個節流孔堵塞，從而造成系統無壓力。因此，配置先導式溢流閥的系統比配置直動式溢流閥的系統對油液清潔度要求更高。圖7-8先導式溢流閥故障舉例

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（2）系統壓力不高。（3）系統壓力居高不下。如圖7-9所示，某液壓設備的先導式溢流閥因不慎將先導閥閥座左端工藝螺塞擰得過緊，將先導油路切斷，結果使系統壓力居高不下。（4）系統壓力漂移或波動。圖7-9先導式溢流閥故障舉例

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（5）卸荷失控。如圖7-10所示，當二位二通電磁換向閥卡死，不能充分打開時，也會使系統壓力不能正常卸荷。圖7-10二位二通電磁換向閥卸荷故障舉例

學習單元一液壓系統故障診斷與排除

如圖7-11所示，采用Ｍ型中位機能換向閥的液壓系統，卸荷失控問題可能有下列情形：換向閥裝反，引起不卸荷；換向閥閥芯裝反（Ｍ型換向閥主閥芯不對稱），引起不卸荷；換向閥復位彈簧折斷，閥芯不回中位，必然影響卸荷；比例壓力閥在未得到控制信號時自動卸荷。此外，比例閥的主閥彈簧可調，如果調得過緊，也不能充分卸荷。圖7-11M型中位機能換向閥的液壓系統

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（6）消除卸荷與換向時液壓沖擊現象的措施。高壓大流量液壓回路在卸荷或換向時會出現壓力沖擊，并引起嚴重振動，消除這類問題的基本做法如下。①預先泄放回路中的壓力。②延長壓力泄放時間。（7）防止異常高壓的措施。如圖7-13所示是防止液壓馬達停止時的超壓回路。圖7-13防止液壓馬達停止時的超壓回路2）速度失控及其解決措施

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（1）爬行。所謂液壓爬行就是液壓缸在低速運動時產生時斷時續的運動現象。爬行是液壓系統中常見問題，引起爬行的直接原因如下。①油內混入空氣，執行件動作遲慢，反應滯后。低速液壓系統初期調試時更容易產生爬行現象。②壓力調得過低、調不高或漂移下降時，同時負載加上各種阻力的總和與液壓力大致相當，執行元件表現為似動非動。③系統內壓力與流量過大的波動引起執行元件運動不均。④液壓系統磨損嚴重，工作壓力增高則引起內泄漏顯著增大。⑤導軌與液壓缸運動方向不平行，或導軌拉毛、潤滑條件差、阻力大使液壓缸運動困難且不穩定。⑥電路失常也會引起執行元件運動狀態不良。

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（2）防止爬行的措施。①提高有關零件的幾何精度，嚴格控制其形位公差與尺寸公差。②減小導軌的摩擦系數。③減小液壓缸活塞桿軸線與導軌的平行度誤差。④提高液壓缸活塞與活塞桿的同軸度要求以使其誤差小于0.04／1000。3）溫度升高異常及其解決措施

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A①功率損耗。B②系統設計及元件問題。C③液壓油問題。D④元件維護不當和泄漏口問題。（1）產生原因。

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（2）合理設計液壓系統。12345盡量選用功率較小的液壓泵。盡量減少液壓泵帶負載運行時間。采用雙泵供油系統。注意調速方式的選擇。盡量簡化液壓系統。

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（3）改進冷卻條件。①油箱。加大油箱尺寸可使液壓油有更長的冷卻時間，有利于降低油溫。②冷卻。加大冷卻能力可通過改用大冷卻器來實現，這種方法比較簡單。在液壓系統中增設冷卻器可顯著降低系統油溫。上述故障及解決對策只是液壓系統中很少的一部分，要想在生產實際中及時找到故障點并解決問題，還需要學習者消化吸收，積累經驗，靈活加以運用。任務實踐

（1）分析液壓鎖緊回路圖及元件的作用。系統中液壓元件的作用為：溢流閥1.1調定系統壓力；單向閥1.2裝在泵出口，用于防止系統過載，保護泵；調速閥1.3調節液壓缸活塞桿的伸出、返回速度；二位四通電磁換向閥1.4控制液壓缸活塞桿運動方向，電磁鐵斷電伸出、通電返回；單向閥1.6與平衡閥1.5組成單向平衡閥，平衡閥1.5用于活塞桿下降時給液壓缸無桿腔建立一個背壓，以保證活塞桿在受向下方向力時可以平穩運動；單向閥1.6用于當活塞桿向上運動時給液壓缸無桿腔供油。完成理論任務任務實踐

液壓鎖緊的條件：液壓鎖緊壓力應該是當活塞桿要縮回時的鎖緊壓力，要比負載保持在完全停止位置所需的壓力大5～10bar。已知1.1調節系統壓力為50bar，1.3調節通過流量為2L/min，液壓缸活塞直徑為25mm，活塞桿直徑為16mm，活塞行程為200mm，如果油缸負載為320N，液壓泵的流量為4L/min。完成理論任務任務實踐完成理論任務

（2）計算活塞桿伸出和返回時間。（3）在液壓設備中設置液壓鎖緊的原因。因為在液壓系統中，任何部位都不能出現負壓；對于垂直安裝的液壓缸，停泵時不能出現負載下降。任務實踐

（4）1.3閥的名稱及該閥的優缺點。1.3為調速閥，該閥的優點是調節的流量與負載大小無關；缺點是效率低，易發熱。（5）哪些閥能阻止負載下降？如何區分活塞桿在停泵狀態下下降具體是由于哪個閥引起的？1.5平衡閥和1.6單向閥能阻止負載下降。將帶金屬芯棒的螺絲刀分別放在兩個閥的部位，監聽液體流動聲，有液體流動的閥是故障源。（6）還有哪些因素會引起負載下降？如何判斷是該因素引起的活塞桿在停泵狀態下下降？完成理論任務任務實踐完成實訓任務1.實訓步驟

（1）將實驗元件安裝在實驗臺上。（2）參考圖7-1用液壓管路將元件連接可靠。（3）啟動泵開關，觀察系統運行并進行調整。（4）模擬問題（5），將溢流閥1.5調壓手輪放松，與問題（5）的分析結果相對照。（5）總結實驗過程，完成實驗報告。任務實踐2.實訓前準備任務實踐3.主要元件安裝與調整方法介紹任務實踐4．填寫實訓報告

實訓報告格式見附錄3。

如圖7-16所示，正常的動作順序是：按起始開關S1，氣缸緩慢伸出，伸出到B2點，延時5s氣缸返回（延時時間可調）。如果該回路出現氣缸伸出到B2點后不返回，試判斷故障點并在實驗臺上搭接回路模擬故障現象，檢驗分析結果。

任務介紹學習單元二氣動系統故障診斷與排除學習單元二氣動系統故障診斷與排除圖7-16氣動系統單缸延時連續循環動作回路

要想完成任務分析，需要認識和了解圖7-16中各元件，并掌握機電綜合系統故障產生的原因和解決對策。這些內容是基于前面學習模塊內容基礎之上檢驗學習者對所學知識能否達到靈活運用和是否具備了分析解決實際問題的能力。因此，有必要對相關知識進行總結歸納。通過對氣動系統的常見故障現象的分析，學習和掌握氣動系統的維修知識是本學習單元所要學習的內容。

任務分析學習單元二氣動系統故障診斷與排除知識目標

（1）掌握氣動元件作用、結構、工作原理、符號及使用注意事項；（2）掌握基本低壓電氣元件作用、工作原理及表示符號；（3）能讀懂簡單的氣動原理圖，能正確分析力傳遞與信號傳遞的路線；（4）能讀懂簡單的繼電器控制原理圖及簡單的PLC程序；（5）了解簡單氣動設備一般使用注意事項；（6）掌握氣動系統故障診斷與排除的基本方法。

學習目標學習單元二氣動系統故障診斷與排除能力目標

（1）能夠正確將氣動、電氣原理圖中各元件與實際設備中各元件一一對應；（2）能夠識別和正確操作各種不同的電氣開關，開、閉觸點的判斷和連接，能夠進行繼電器線路的連接（3）能夠根據氣動、電氣系統的故障現象判斷可能的故障原因；（4）能夠根據氣動、電氣系統故障原因給出可行的解決方案。

學習目標學習單元二氣動系統故障診斷與排除

一、故障種類學習單元二氣動系統故障診斷與排除（1）初期故障（2）突發故障（3）老化故障

二、氣動系統故障分析診斷方法學習單元二氣動系統故障診斷與排除1.替換法

替換法是指將同類型、同結構、同原理的元件置換（互換）安裝在同一位置上，以證明被換元件是否工作可靠。替換法的優點在于，即使修理人員的技術水平較低，也能應用此法對氣動系統的故障做出準確的診斷。但是，運用此法必須以同類型、同結構、同工作原理和相同氣動元件的氣動系統為前提，因而此法有很大的局限性和一