起重机伸缩平衡阀内泄问题分析及优化.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.022起重机伸缩平衡阀内泄问题分析及优化翟新颖,刘庆教,李永奇,陈晋市?（1.徐州徐工液压件有限公司，江苏徐州2 2 1 0 0 4；2.吉林大学机械与航空航天工程学院，吉林长春1 3 0 0 2 5）摘要：为改善汽车起重机伸缩系统用某型号平衡阀的内泄问题，对某型号平衡阀进行结构分析，得出与平衡阀密封性能直接相关的零件和工艺参数。通过测量系统分析（MSA)验证测量系统的可靠性；通过过程能力分析得出加工能力不足的工艺参数，由此确定平衡阀内泄的原因;结合平衡阀生产工序,运用因果矩阵（CE矩阵）和潜在失效模式及后果分析（FMEA)筛选出3 2 个可能因子,即可能影响参数的工序,其中1 9 个因子可即时改善，改善后平衡阀制造质量明显提高；运用假设检验对剩余1 3 个因子与工艺参数的相关性进行验证，进一步筛选出8 个相关因子；最终对8 个因子进行试验求得最优的进给量，最佳转速和加工规律，加人至生产加工过程中，内泄故障反馈率由4.7 2%降至2.3 5%，有效改善了平衡阀内泄问题。关键词：平衡阀；测量系统分析；过程能力分析；因果矩阵；潜在失效模式及后果分析；假设检验中图分类号：TH137Analysis and Optimization of Internal Leakage for Crane Balance Valve(1.Xuzhou XCMG Hydraulics Co.,Ltd.,Xuzhou 221004,China;2.School of Mechanical and Aerospace Engineeringr Jilin University,Changchun 130025,China)Abstract:To improve the internal leakage of the balance valve used in the telescopic system of the truck crane,this paper analyzes thestructure of the balance valve,and obtains the parts and process parameters directly related to the sealing performance of the balance valve;Verify the reliability of the measurement system through the measurement system analysis(MSA);Through process capability analysis,theprocess parameters of insufficient processing capability are obtained,and the cause of internal leakage of balance valve is determined;Combined with the production process of balance valve,32 possible factors were screened by using the C&E matrix and the potential failuremode and effect analysis(FMEA),of which 19 factors could be improved immediately,and the effect after improvement was significant,andthe balance valve manufacturing process was significantly improved;Use hypothesis test to verify the correlation between the remaining 13factors and process parameters,and further screen out 8 relevant factors;Finally,eight factors were tested to obtain the optimal feed rate,optimal speed and processing law.When added to the production and processing process,the feedback rate of internal leakage failuredecreased from 4.72%to 2.35%,effectively improving the internal leakage of balance valve.Key words:balance valve;measurement system analysis;process capability analysis;C&E matrix;potential failure mode and effect analysis;hypothesis test液压力改变起重臂长度，平衡阀用于伸缩系统中主要0引言作用在于提供背压,同时控制伸缩液压缸回缩速度 3 。汽车起重机作为工程建设的基础设备，广泛应用因此,平衡阀的密封性能直接影响起重机伸缩系统的于在桥梁、水电、铁路、码头等各个生产部门中,其液压正常工作，一旦平衡阀内泄，会造成主机大臂缩回,严系统是完成基本功能的重要的执行系统 1-2 。汽车起重影响使用安全。某型号起重机伸缩油缸用平衡阀内重机液压系统主要由变幅系统、伸缩系统、回转系统、泄问题严重，月平均故障反馈率高达4.7 2%。卷扬系统和支腿系统组成。其中，伸缩系统主要通过如图1 所示，对故障件进行拆检，发现大多故障为密封损坏,因此深入分析平衡阀结构,排查与密封性能收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 3相关的工艺参数是改善内泄漏问题的关键。近年来，基金项目：2 0 2 2 年江苏省科技成果转化项目（BA2022032）许多学者对平衡阀结构及参数优化进行深人研究。李作者简介：翟新颖（1 9 8 7-），男，山东淄博人，工程师，研究方向：树勋等初步设计阀芯开孔型线，采用压差补偿因子修流体传动与控制、产品可靠性分析及管理。正法优化阀芯开孔型线，有效降低阀芯端面压力脉动113文献标志码：A文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 3)0 8-0 1 1 3-0 5ZHAI Xin-ying,LIU Qing-jiao,LI Yong-qil,CHEN Jin-shi?(1)液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期强度,提高动态流量平衡阀流量控制精度 4。侯建军等对动态流量平衡阀进行系统的数学建模,结合 CFD仿真对流量控制精度进行模拟，证明优化与动态特性模拟方法具有良好的精度 5 。在实际生产制造过程中，常使用各种量具和设备测量参数，可靠的测量系统是保证数据提取准确性的关键，MSA分析是评定测量系统质量的常用方法。潘涛等通过MSA分析方法对叶片型面参数的分析，结合公式计算和Minitab软件，实现了叶片型面参数测量系统的评定，保障了测量系统的质量(6)。与已研究文献相比，本研究的主要贡献在于对平衡阀进行结构性分析，通过MSA分析和过程能力分析找出引起内泄的原因；与加工工序相结合，运用CE矩阵和FMEA分析找出可能因子；通过即时改善改进了生产流程，通过试验求得最佳进给量，最佳工件转速和拟合规律,加入生产后有效降低了平衡阀故障反馈率。装配在伸缩缸上的2 6 0 平衡阀图1 旧件拆检情况1平衡阀结构分析平衡阀具体结构如图2 所示，油液由A至B可自由流动,相当于单向阀；若由B至A反向流动,K需接控制油口，油液作用于控制活塞端面上，控制活塞推动平衡阀芯,克服弹簧预紧力移动，打开B-A通道，此时平衡阀的开口大小随着控制口K压力的大小变化，此平衡阀的初开压力为4.5 MPa,终开压力为7 MPa，额定工作压力为3 5 MPa。单向平衡弹簧左端盖弹簧阀套阀芯顶座阀套弹簧螺套螺堵控制活塞K114根据平衡阀结构，结合旧件拆检情况，大部分平衡阀密封性能主要与图2 标出7 处密封结构的零件工艺相关。结合实际可操作性，排除无需精确测量的计数型参数,可得出与平衡阀内泄直接相关的零件和工艺参数。2MSA分析和过程能力分析上节中总结出的参数均属于计量型数据，需采用专业量具测量和设备采集。同时，测量过程中需考虑测量的标准、操作人员的使用方法、读数误差、夹具的松紧、环境温度等综合因素。因此，为保证测量数据的可靠性，需对测量系统进行MSA分析，以验证系统的可靠性。根据测量仪器归类，挑选出9类检查项目进行MSA分析。以阀套外圆密封槽底直径为例，进行MSA分析时，测量样本数为1 5 件，2名测量人员各2 次随机反复（总6 0 次），对测量结果各自保密。测试数据计算标准差（SD），研究变异（6*S D），%研究变异（%SV），%公差（SV/Toler），其中%研究变异（%SV），%公差（SV/Toler)均小于30%，则证明测量系统可靠。剩余项目MSA分析过密封圈损坏程类似，分析结果表明各测量系统均可靠，可以进行数据的测量。保证数据测量准确后，可进行过程能力分析求得参数的加工能力，通常用过程能力指数Ck值来表征过程能力 8-9 。C值高表明加工能力强，加工质量好，一般Ck值小于1,表明加工能力不足，Ck值大于1 小于1.33,表明加工能力尚可，C值大于1.3 3，表明加工能力较好。C值计算如公式(1)：Cu=(USL-X)/(3g)C=(X-LSL)/(3o)LCpk=min(Cpu,Cu)式中，USL为上限值，例如平衡阀芯外圆直径15.7（-0.0 1 6-0.0 43），上限值为1 5.6 8 4；LSL为下限值，例如平衡阀芯外圆直径15.7（-0.0 1 6-0.0 43），下限值为1 5.6 5 7；X为样本均值；为总体标准差。针对表1 中影响平衡阀密封性能零件随机抽取一定数量进行测量,计算C值,其中Ck值小于1 的需全部进行重点分析,大于1.0 低于1.3 的关注重要因素。表1 列B出加工过程能力不足的零件工艺参数，这些参数加工23图2 平衡阀结构456能力不足直接影响平衡阀的密封性能，导致平衡阀内泄,是平衡阀内泄的主要原因。图3 阀芯改善研磨方式提高锥面跳动和粗糙度Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023表1 加工过程能力不足的零件工艺参数芯表面热处理硬度改善、平衡阀芯保时器结构改进等零件名称Ck工艺参数外圆直径15.7锥面跳动0.0 1平衡阀芯锥面粗糙度0.8内孔粗糙度0.8外圆尺寸5 5阀套内孔尺寸2828内孔粗糙度0.8耳环座阀孔 d50耳环座阀孔d55耳环座耳环座阀孔d50的圆度耳环座阀孔d55的圆度3可能因子的筛选与即时改善3.1CE矩阵和FMEA分析通过对阀的生产流程进行了讨论分析,共可找到304个工序可能与阀体泄漏有关。每个工序代表1 个可能因子，运用CE矩阵，对3 0 4个因子进行分析，在矩阵图左侧列出输入变量，具体为3 0 4个因子；在矩阵图上方列出输出变量,具体为表3 中的工艺参数，根据顾客重要性给定权重（1-1 0）；评价每一输人变量对各个输出变量的关系,评分分为4个等级（0,1,3,5），表明其不同的相关程度；每一单元格的评分乘以该列对应的权重，然后将每一行的乘积加起来，最终合计值代表此因子对工艺参数的影响程度，即对平衡阀密封性能相关性。对比3 0 4个因子合计值，值高的因子为重点关注对象。最终从3 0 4个因子中筛选出8 0 个因子需进一步分析。运用FEMA,进一步分析8 0 个因子可能带来的失效模式和潜在影响，根据FMEA失效模式及后果分析的评分标准，对SEV（严重度）,OCC（发生频率）,DET（不易探测度）进行评分，最后求得RPN（风险优先数），具体计算见式（2）。RPN=SEV*OCC*DET最终筛选出3 2 个RPN值较大的因子进行下一步分析。3.2良即时改善32个因子中1 9 个因子可即时改善，快速处理。比如阀芯改善研磨方式提高锥面跳动和粗糙度、平衡阀等。下面简述其中两个即时改善：（1）阀芯改善研磨方式提高锥面跳动和粗糙度：1.10如图3 所示，改善前使用万能顶尖加研磨膏的方式进1.15行研磨,对研磨膏用量、研磨时间、研磨力度都有较高0.85要求；改善后采用专用的金刚砂研磨顶尖，不需用研磨0.86膏，对研磨力度和时间没有太多要求。新工艺研磨阀1.02芯锥面跳动小,研磨速度快，平衡阀芯的锥面跳动和粗1.14糙度的加工过程能力C由1.1 5,0.8 5 提高到1.42，1.20,改进提升明显。1.060.240.42-0.44-0.80(2)（左图改善前，右图改善后）（2）平衡阀芯保时器结构改进：如图4所示，保时器存在密封损坏，弹出弹簧损坏等问题，改善措施为改为螺纹式连接，保证可靠地连接效果；改善后对保时器进行1 0 0 次冲击试验，证明连接效果可靠。图4平衡阀芯保时器结构改进（左图改善前，右图改善后）4剩余因子的假设检验和试验求值4.1剩余可能因子的假设检验表2 列出了剩余的1 3 个可能因子，这些因子无法进行即时改善简单快速处理，若全部改进，需进行大量试验，耗费时间较长，人工成本较高；另外1 3 个因子并不是全部与零件的工艺参数相关，需要进一步收集数据进行假设检验验证相关性。序号1,2 中工序需检验精磨进给量和工件转速是否影响平衡阀芯锥面的粗糙度0.8；假设设定H。：精磨进给量和工件转速不影响粗糙度，H：精磨进给量和工件转速影响粗糙度；设定精磨进给量0.0 2,0.0 4和工件转速1 7 0,2 3 0,收集粗糙度数据,形成表格,其中行因115液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期表2 剩余可能因子序号工序1平衡阀芯精磨精磨进给量具体要求锥面粗糙度0.82平衡阀芯精磨工件转速的具体要求锥面粗糙度0.83平衡阀芯精磨顶尖磨损的周期检查4平衡阀芯精磨工件转速的具体要求5平衡阀芯精磨精磨进给量的具体要求精车进给量和转速6阀套精车外形7阀套精车外形8阀套精车内孔精车进给量具体要求9阀套精车内孔10阀套精车内孔进给量和转速设置11阀套精车内孔12单向阀套精车加工进给量具体要求内孔粗糙度0.813单向阀套精车转速的具体要求素为转速,列因素为进给量；采用可重复双因子方差分析进行假设检验,具体计算见式(3）式（6)：1rkm台1T-1TmSST=(x-3)i=1SSR=rmSSC=km(x-x)2SSRC=mSSE=SST-SSR-SSC-SSRCdf=r-1df=k-1dfAb=(r-1)(k-1)df。=r k(m -1)MSR=SSR-1SSCMSC:k-1SSEMSE(r-1)(k-1)116(FRMSRMSE工程输人检测项目锥面跳动0.0 1外圆15.7外圆15.7外圆直径55具体的要求刀具磨损周期转速的具体要求刀具磨损周期的具体要求k(6)MSCFMSE式(3)中为所有测量数据的均值；SST为总平方和;SSR为行变量（转速）平方和；SSC为列变量（进给量）平方和;SSRC为交互作用平方和；SSE为误差平方和；，.为行变量的第i个水平的样本均值；，为列变量的第j个水平的样本均值；，为对应行变量的第i个水平和列变量的第j个水平的组合的样本均值;其中r=2,k=2,m=10。式(4)中df为行变量自由度;df外圆直径5 5为列变量自由度;dfAB为交互作用自由度;df。为误差自28内孔粗糙度由度。式(5)中MSR为行变量均方;MSC为列变量均0.828内孔粗糙度0.8内孔直径28内孔直径28内孔粗糙度0.8(3)(4)(5)方;MSE为误差项均方。式(6)中FR为检验行变量的统计量;Fc为检验列变量的统计量。最终计算出FR=77.69,Fc=34.39,FRFc，故推翻Ho，即精磨进给量和工件转速影响粗糙度。序号7 中工序需检验刀具磨损是否影响阀套外圆尺寸，可收集数据后绘制散点图，进行相关性分析后求得相关系数为0.9 0 8，表明外圆尺寸与刀具磨损有明显的相关性。其余序号中工序假设检验方法与上述两种方法相同，故不再赘述。经检验后序号3 6,1 1 中工序不影响具体工艺参数，故可排除，剩余8 个因子确定与平衡阀内泄相关，需要试验找出最优值。4.2剩余可能因子的假设检验寻找最佳精磨进给量和工件转速以达到平衡阀芯外圆锥面粗糙度最佳目标值，根据设备和工件特点，设置2 种工件转速（1 7 0 r/min,230r/min）和3 种进给量（0.0 2,0.0 3,0.0 4）进行试验优选，试验3 0 次，每组转速/进给量试验5 次，取平均值，试验结果如图5 所示。从图中可看出：选用进给量0.0 2、工件转速1 7 0 r/min，阀芯锥面粗糙度达到最佳值0.3 0 2.0.9转速1 7 0 r/min-转速2 3 0 r/min0.80.70.60.50.40.3图5 平衡阀芯外圆锥面粗糙度试验寻找最佳精车进给量和转速以达到阀套内孔粗糙度最佳目标值，根据设备和工件特点，设置3 种工件转0.020.03进给量0.04Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023速（1 4 0 0,1 5 0 0,1 6 0 0 r/min）和3 种进给量（0.0 6,0.0 7，直径5 5 的试验和刀具磨损与阀套内孔直径2 8 的试0.08）进行试验优选，试验3 6 次，每组转速/进给量试验，采集数据进行回归分析可以看出数据整体规律呈验4 次,取平均值，试验结果如图6 所示。从图中可看线性，通过拟合线计算数据规律为Y=55+0.000374*出：选用进给量0.0 8、工件转速1 5 0 0 r/min，阀芯锥面粗X,Y=28-0.000363*X。糙度达到最佳值0.4 8 2 5。将上述求得的最佳进给量，最佳转速加入生产流转速1 4 0 0 r/min程中,将拟合求出的规律应用到数控车床加工程序中0.70L-转速1 5 0 0 r/min-转速1 6 0 0 r/min0.550.500.06图6 阀套内孔粗糙度试验寻找最佳精车进给量和转速以达到单向阀套内孔粗糙度最佳目标值，根据设备和工件特点，设置3 种工件转速（1 4 0 0,1 5 0 0,1 6 0 0 r/min）和3 种进给量（0.1，0.12,0.14）进行试验优选，试验3 6 次，每组转速/进给量试验4 次,取平均值，试验结果如图7 所示。从图中可看出：选用进给量0.1 2、工件转速1 6 0 0 r/min，阀芯锥面粗糙度达到最佳值0.4 8 2 5。0.750.700.650.550.500.10图7 单向阀套内孔粗糙度试验关于刀具磨损影响阀套外圆尺寸和内孔尺寸，原因主要为精车阀套刀具为合金成型刀具，加工工件时有磨损，原要求为工人根据经验调整数控车床进给量补偿刀具磨损，没有具体规定工件尺寸；此外工人在实际加工中按目标值的中差控制，认为只要在公差范围内即可,造成工件尺寸波动大。解决方法为利用现有数控车床自动补偿的功能，通过刀具磨损与阀套外圆引用本文：翟新颖，刘庆教，李永奇，等.起重机伸缩平衡阀内泄问题分析及优化 J.液压气动与密封，2 0 2 3,4 3（8）：1 1 3 1 1 7.ZHAI Xinying,LIU Qingjiao,LI Yongqi,et al.Analysis and Optimization of Internal Leakage for Crane Balance Valve J.HydraulicsPneumatics&Seals,2023,43(8):113-117.进行刀具磨损的自动补偿，跟踪一段时间后，平衡阀内泄故障明显减少，阀内泄故障月度平均质量反馈率由4.72%降至2.3 5%。5结论本研究为改善平衡阀内泄漏问题，分析了平衡阀0.070.08进给量一转速1 4 0 0 r/min.-.转速1 5 0 0 r/min-.-转速1 6 0 0 r/min0.120.14进给量内部结构，找出与密封性相关的参数；通过MSA分析和过程能力分析,确定了加工能力不足的工艺参数，得出平衡阀内泄的具体原因。将工艺参数与实际生产工序将结合，通过CE矩阵和FMEA分析筛选出3 2 个可能因子,其中1 9 个因子可即时改善，改善后，平衡阀的生产过程控制能力得到明显增强,工艺水平明显提高。将剩余1 3 个因子进行假设检验进一步筛选出8个相关因子,通过试验求出生产过程中最佳进给量,最佳工件转速和拟合数据规律。加人生产中后，平衡阀内泄故障明显减少，阀内泄故障月度平均质量反馈率由4.7 2%降至2.3 5%。参考文献1安慧军.汽车起重机液压伸缩系统机液联合仿真与试验研究 D.长春：吉林大学,2 0 1 1.2李永奇，刘庆教.浅谈工程机械液压缸发展趋势 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