两级电液比例方向阀常见故障与排除方法

第２３卷第３期　

２０１３生９Ｐ］　江　汉　石　油　科　技　

ＪＩＡＮＧＨＡＮ　ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖ０１．２３　Ｎｏ．３　

Ｓｅｐ．２０１３　

两级电液比例方向阀常见故障与排除方法　

陈　效　

（中国石化江汉石油管理局第四石油机械厂，湖北荆州４３４０２４）　

摘要：在实际工业应用中，比例阀受到温度、振动、阀芯磨损、脏物堵塞、机械加工精度和比例控制　

器等因素的影响，会导致其性能下降甚至失效，从而使系统不能正常工作。针对比例方向阀的常见故障及诊　

断与排除方法：充分过滤或更换液压油、对系统管道￣＿４ｑ－冲洗、对比例阀阀芯进行研磨，对磨损零件进行配　

磨或更换、将输入信号设定为一定频率的正弦信号，使阀芯在阀体内来回快速运动，在高压液压油的冲击下　

使污染物颗粒带出阀体。　

关键词：比例方向阀；故障诊断；排除方法　

电液比例方向阀是电液比例控制技术中的核心　

元件，它既可以根据输入电信号的大小和极性连续　

成比例地对液压系统的流量、方向进行远距离控　

制，又在制造成本、抗污染、节能等方面优于电液　

伺服阀，且其动、静态特ｌ生也能满足一般的工业应　

用要求，因此广泛应用于对控制性能要求不高的一　

般工业部门。但在实际工业应用中，由于受到温　

度、振动、阀芯磨损、脏物堵塞、机械加工精度和　

比例控制器等因素的影响，导致比例方向阀各项性　

能下降甚至失效，从而使系统不能正常工作。因此　

研究其常见故障与诊断的方法具有实际意义。　

１　油液污染　

比例方向阀对油液的污染度通常要求为　

ＮＡＳ１６３８的７、８、９级（ＩＳＯ：　１７／１４，　１８／１５，　

１９／１６级），决定这一指标的主要环节是先导级。虽　

然电液比例阀较伺服阀的抗污染能力强，但在实际　

工业应用中，由于受到工作环境的影响，液压油中　

常常混入了较多的粉尘和金属颗粒等污染物，致使　

很多故障由油液污染所引起。在电液比例控制系统　

中，油液污染容易造成比例方向阀等阀类元件的阀　

芯、阀座卡死。　

１．１　油液污染常见失效模式　

１．１．１　淤积失效　

比例方向阀的阀芯与阀套的配合间隙为２—６　ｒｎ。当阀芯静止并处于受压状态时，污染物中与半　

径问隙尺寸接近的颗粒就有可能随着油液的流动淤　

积在阀芯与阀套之问。随着污染物的聚集，阀芯与　

阀套间的滑动摩擦和静摩擦力逐渐增大，使阀的响　

应变慢，当污染物聚集严重导致堵塞时，阀芯可能　

会无法动作。　

１．１．２卡阻失效　

比例阀在工作一段时期后，由于阀芯并不是始　

终工作在全行程工况，二级比例方向阀结构示意图　

如图１所示，阀芯、阀套出现不均匀的磨损，它们　

的配合间隙存在差异，阀体在工作时受液动力的作　

用产生侧向载荷，造成阀芯与阀套的卡紧，使阀芯　

在阀套中的滑动不平稳，严重时阀芯会卡阻在阀套　

内。见图１。　

１．１．３　冲蚀失效　

冲蚀失效是由比阀芯或阀套的表面更硬的颗粒　

冲蚀阀芯的节流棱边引起的。如图２，在阀芯开口　

较小时，液压油中的硬质颗粒冲刷阀芯和阀套的棱　

边，其作用类似切削加工，当阀芯或阀套的节流棱　

边被损坏，成为类似钝角时，就会降低阀的压力增　

益，增加零位泄漏，导致控制功能失效。见图２。　

作者简介：陈效，２０００￣７月毕业于武汉理工大学　

流体传动及控制专业，现任江汉石油管理局第四石油机　

械厂钻机分厂工程师，研究方向：钻机装配及试验，液　

压故障诊断。

　・６４・　江　汉　石　油　科　技　第２３卷　

２　

＾Ｐ　Ｂ　Ｔ　

图１极间带位移一力反馈的二级比例方向阀　

Ａ　Ｂ　

图２阀芯冲蚀失效部位　

１．２排除方法　

针对上述由油液污染引起的阀芯、阀座失效，　

总结了以下方式对故障进行排除：　

（１）充分过滤或更换液压油。　

（２）对系统管道进行冲洗。　

（３）对比例阀阀芯进行研磨，对磨损零件进　

行配磨或更换。　

（４）将输入信号设定为一定频率的正弦信　

号，使阀芯在阀体内来回快速运动，在高压液压油　

的冲击下使污染物颗粒带出阀体。　

２比例方向阀零位死区　

比例阀自身死区、可动部件的摩擦特性和控制　

线圈的滞环特性等，都是造成阀芯不能获得线性输　

出的主要因素。比例方向阀通常属于正重叠四边滑　

阀，其工作特性可分为三部分，如图３所示，ＣＤ段　

为阀的零位死区段，ＢＣ、ＤＥ为线性段，ＡＢ、ＥＦ为　ｌ、２一比例电磁铁　３、４一单控制边滑阀　５一先导滑阀左控制边　先导滑阀右控制边　７一反馈弹簧杆　８一主阀芯　９、１（卜机械对中弹簧　

ＩＬ／ｍｉｎ）　Ｅ　Ｆ　

Ｃ　Ｉｉ　一　｜－　Ｏ　—　

４叫　

０　图３比例方向阀的流量特性示意图　

叫ｒ　。　；　

Ｉ　

强ｄ　Ｘ　

／　．　：　

．　一．一．．－Ｊ　ｑ　ｌ　

０输＾量Ｘ　

图４比例方向阀控制特・眭　

饱和段。其中，正遮盖造成的零位死区对由其构成　

的电液比例系统的性能影响尤为严重。　

阀芯在通过中位时，执行机构将有一段时间不　

能响应指令信号，即这类阀存在一定零位死区。比　

例方向阀流量死区一般占额定输入值的ｌ５％～２０　

％，如图４所示，且其范围随供油压力、负载和油　

液温度的变化而变化。在位置闭环时，这种死区将　第３期　陈效：两级电液比例方向阀常见故障与排除方法　・６５・　

影响控制系统的稳定性和动态特性。因此，要获得　

比例系统的伺服控制效果，就必须尽量减弱比例阀　

死区对系统的影响。　

比例方向阀的驱动信号由控制信号和死区补偿　

信号组成。死区补偿的目的是通过改变比例阀的输　

入控制信号，使得阀芯快速通过其中位附近的重叠　

区，减弱死区的滞后效应，增加系统的响应速度，　

提高控制精度。目前比较常用的减小死区的方法有　

先导电流法和定值补偿法。　

（１）　先导电流法　

比例方向阀的流量特性曲线在靠近零点时，此　

时额定电流很小，阀没有流量输出。因此，这段不　

能设定电流，对于电流量的调节范围，最好超过　

２０％。通过在控制器上设定最小电流（Ｉ　）或者通过　

提高控制器在零位附近的灵敏度来达到有效地消除　

（或者显著地减小）死区，如图５所示。当最大补偿　

时，很小的输入信号就使阀芯“跳过”死区，从而　

消除其影响。　

（２）　定值补偿法　

这种补偿方法是在比例控制放大器中设置阶跃　

函数发生器，产生继电型非线性控制信号，用以补　

偿死区。补偿信号的幅值，在调整后仍保持不变（死　

区定值补偿值）。为保证补偿后系统的充分稳定陛，　

一般取比例方向阀可能产生的最小死区范围为补偿　

值。　

当比例方向阀换向，阀芯即将进入中位重叠区　

时，切换阀的死区补偿电压，对阀的输入输出特性　

要进行补偿，即在程序中的比例阀输入信号中加人　

相应的常值电压，使阀芯快速通过重叠区。因此适　

当的死区补偿电压，可以消除阀的输入输出特性上　

Ｉ（Ａ）　死区现象。　

３维修测试中的常见故障及其排除方　

法　

（１）阀芯始终处于零位或者偏到阀内一侧：　

此类现象通常是由阀芯与阀套间摩擦过大，阀芯卡　

死所引起的，须取出阀芯，用规格为Ｐ８００～１２００的　

细砂纸对其研磨，同时用干净的液压油对阀芯表面　

和阀套内壁进行冲洗。　

（２）零位死区过大：比例方向阀的零位死区　

由阀芯自身结构的正遮盖量引起，一般可通过在放　

大器中设计快跳电路减小死区范围。造成比例阀零　

位死区过大的因素有很多，例如放大器快跳电路参　

数设置不正确、阀芯阀套内有杂质颗粒致使阀芯卡　

死、先导级与主级之间存在泄漏等等。解决此类问　

题，首先应检查比例放大器中快跳电路的参数设置　

是否正确；其次，检查先导级与主级间是否有密封　

装置或密封装置安装是否正确；最后，将比例阀拆　

开，取出阀芯，用煤油将阀芯、阀套冲洗干净，消　

除油液中的杂质颗粒对比例阀输出特眭的影响。　

（３）零位死区不对称：零位死区不对称通常　

是由于比例阀在长时间高、负荷的工作条件下阀内　

弹簧的预压缩量发生变化，此时须在压力控制特性　

测试条件下重新调整比例阀端面上的调节螺钉，直　

至零位死区呈对称状态。　

（４）滞环大：滞环是由电液比例元件内存在　

的磁滞、运动部件的静摩擦、弹性元件的弹性滞环　

始终与控制信号变化方向相反造成的。为减小滞环　

对元件稳态控制特性的影响，放大器的输出电流中　

闹口奸腹　

Ｕｇ（Ｖ）　输入信号　

图５电流量补偿示意图　（下转第７Ｏ页）

　・７０・　江　汉　石　油　科　技　第２３卷　

（上接第６５页）　

应含有一定频率和幅值的颤振电流，检查比例控制　

器中控制信号参数设置是否对称。再者，油液中的　

杂质颗粒物也可造成比例阀的滞环大，所以油液进　

入比例阀前，必须经过滤精度１５　ｍ以下的过滤器　

过滤，油箱必须密封并加空气滤清器，使用前对比　

例系统要经过充分清洗、过滤。　

４结语　

电液比例方向阀作为电液比例控制技术中的核　

心元件，广泛应用于工程机械、石油、钢铁和冶金　

等行业，充分了解并熟知其在实际工程应用中的常　

见故障和诊断及其排除方法是工程技术人员必备技　

能之一，对工业设备的维护和提高生产效率具有十　

分重要的意义。当然，随着电液比例阀加工工艺的　不断改进、新型工作介质的开发，油液污染和零位　

死区等因素对比例阀性能的不利影响将会大大减　

小，基于人工智能和神经网络及各种算法的控制器　

的不断发展，也会对控制系统提供更有效的解决手　

段。　

参考文献　

［１】许益民．电液比例控制系统分析与设计［ｒＣ１］．北京：机械　

工业出版社，２００５．　［２】王明兴．比例方向阀控制回路中的压力补偿［Ｊ】．液压气动　

与密封，２００８（２）．　

［３】黄卉，程顺．电液比例方向流量阀的特性分析及应用『Ｊ１．　

现代机械，２００１（３）．　

［４］吴根茂，邱秀敏等．新编实用电液比例技术［Ｍ】．杭州：　

浙江大学出版社，２００６．　

（编辑李智勇）