潘志軍，張 浩，周益安，楊曉霞

（杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020）

倒掛式液壓啟閉機液壓系統(tǒng)振動故障分析

潘志軍，張 浩，周益安，楊曉霞

（杭州市南排工程建設(shè)管理處，浙江 杭州 310020）

倒掛式液壓啟閉機啟動調(diào)試時發(fā)現(xiàn)啟閉機運行過程中伴有振動噪聲，通過分析振動產(chǎn)生的原因并消除，總結(jié)提出液壓啟閉機安裝、運行、維護中減少產(chǎn)生故障隱患的措施。

液壓啟閉機；振動故障；分析

1 問題的提出

某大型排水泵站建在城市新區(qū)核心位置，主要功能為減輕流域防洪壓力，同時解決城市區(qū)域排澇問題。城區(qū)河道排澇通過新建控制閘把洪水接入排水泵站進水前池，通過泵排一并解決排洪問題?？刂崎l啟閉機建在城市核心區(qū)，兼顧周邊建筑美學(xué)選用倒掛式液壓啟閉機，利用閘門啟閉中低噪聲的優(yōu)點，閘門孔口覆蓋鋼制蓋板，通過景觀美化較好處理周邊環(huán)境的美觀問題，但若在閘門啟閉過程中出現(xiàn)不正常的振動聲并被放大，將影響閘門的安全運行，同時帶來噪聲污染。

液壓系統(tǒng)故障與電氣故障不同，故障檢測較為困難，因液壓管路內(nèi)油流的流動狀態(tài)、液壓件內(nèi)部的零件動作及密封件的損壞等情況，很難直觀檢測，寧辰校等提出液壓啟閉機液壓系統(tǒng)振動與噪聲研究[1]，提供了故障分析的思路，但查找故障并不容易。本工程倒掛式閘門啟閉機安裝調(diào)試中出現(xiàn)振動噪聲，通過查找文獻、查閱設(shè)計圖紙、召開專家會議等多角度故障分析，希望盡快找到故障點，但液壓系統(tǒng)故障往往比較復(fù)雜，花很大精力才能最終找到問題根源，排除故障，本文通過故障分析可以為同類液壓系統(tǒng)查找故障供參考。

2 工程概況及故障現(xiàn)象

某泵站設(shè)單機流量50 m3/s水泵4臺，總排澇流量200 m3/s，Ⅰ等工程，規(guī)模位列全國大型泵站前列。根據(jù)工程結(jié)合城市區(qū)域排澇設(shè)計，在河道接入泵站進水池前設(shè)潛孔式平面滑塊鋼閘門，孔口尺寸4.0 m×3.0 m，設(shè)計水頭5.50 m，閘門單重約5.2 t，采用倒掛式QPPY - D - 2×160 kN型液壓啟閉機，工作行程3.65 m，啟閉速度大于0.5 m/min，在啟閉機液壓站及控制設(shè)備單獨設(shè)置在閘門控制室，閘門布置簡圖見圖1，啟閉機工作特性見表1。

圖1 閘門布置簡圖

表1 啟閉機工作特性表

工程機電安裝專業(yè)施工單位根據(jù)潛孔式閘門、啟閉機設(shè)計圖紙、安裝規(guī)范安裝完成，開始現(xiàn)場調(diào)試機、電、液系統(tǒng)。液壓啟閉機在出廠前進行液壓泵站、油缸單體廠內(nèi)調(diào)試正常，現(xiàn)場規(guī)范施工，基本上能保證帶載動態(tài)調(diào)試順利。該閘門啟閉機無水調(diào)試完成，雙缸同步性能較好，在自動運行中糾偏次數(shù)符合規(guī)范要求。工程通水驗收完成后，閘門投入使用，河道水位上漲根據(jù)運行原則進行啟門排水。當(dāng)運行1個星期后發(fā)現(xiàn)該閘門運行過程中產(chǎn)生振動現(xiàn)象并伴有陣陣噪聲，進一步檢查發(fā)現(xiàn)振動時并非在糾偏運行時，且閘門啟閉機每次啟閉過程中左缸產(chǎn)生的噪聲大小不一致。啟閉機在運行過程中產(chǎn)生振動會影響液壓系統(tǒng)工作性能，長此以往會縮短液壓系統(tǒng)元器件的使用壽命，這勢必會造成閘門啟閉機運行可靠性下降，必須查明故障源頭，排除設(shè)備事故隱患。

3 液壓啟閉機故障分析

液壓系統(tǒng)運行產(chǎn)生振動與噪聲一般原因來自2方面：機械振動和流體振動產(chǎn)生噪聲。但在閘門啟閉過程中, 機械因數(shù)與流體因數(shù)2部分是相互影響的，有機械不平衡力、慣性力、摩擦阻力引起的機械振動[2-3]，也有可能是液壓油運動中產(chǎn)生壓力沖擊、脈動、氣穴等引起的振動[1，4-5]，振動是在動態(tài)過程中產(chǎn)生的，又互相影響，往往是多種因數(shù)夾雜在一起，在分析振動故障產(chǎn)生原因時首先從機械因數(shù)與流體因數(shù)2方面來考慮。

3.1 機械因數(shù)方面振動原因分析

（1）工廠制造裝配因數(shù)。故障出現(xiàn)后一般考慮工廠制造或者現(xiàn)場安裝因數(shù)。查閱該潛孔式平面滑塊鋼閘門工廠制造質(zhì)量檢驗記錄，閘門平面度、直線度、垂直度、厚度、高度、寬度、對角線等各控制尺寸數(shù)據(jù)均符合設(shè)計和規(guī)范要求，平衡度試驗滿足設(shè)計要求，閘門質(zhì)量均勻。倒掛式液壓啟閉機查閱在工廠裝配時對零部件裝配精度、活塞桿與缸體同心度、液壓油管裝配等測量數(shù)據(jù)記錄均符合規(guī)范要求，而且在工廠內(nèi)液壓站、液壓油缸機、電、液聯(lián)動調(diào)試，單油缸活塞桿空載全行程運動測試，情況均良好。

（2）現(xiàn)場安裝因數(shù)。潛孔式平面滑塊鋼閘門工廠整體制造出廠，閘門滑塊、止水均在工廠內(nèi)安裝完成，而且在現(xiàn)場安裝前對閘門和閘門門槽控制尺寸均在監(jiān)理工程師旁站下復(fù)核，各數(shù)據(jù)符合要求，閘門安裝中心與門槽中心一致，在用汽車吊入閘門門槽后靜平衡試驗各控制尺寸數(shù)據(jù)滿足要求，現(xiàn)場不需要閘門配重。閘門單體安裝不存在產(chǎn)生振動的可能。倒掛式液壓啟閉機與閘門的連接是把液壓油缸缸體固定在門體內(nèi)，活塞桿末端與啟閉機基座相連接，安裝啟閉機時，閘門已經(jīng)先安裝好，液壓油缸從上到下插入閘門門體2個設(shè)計預(yù)留孔內(nèi)，調(diào)整完成通過油缸上法蘭面與門體螺栓孔連接后，再從上到下吊入油缸基座安裝在閘門孔口預(yù)埋板上，調(diào)整中心后連接固定。閘門與液壓啟閉機連接有可能存在中心不正引起的運行振動。油缸穿入門體的預(yù)留孔若與油缸中心不正，會造成缸體機架與缸體的中心不正，所以在閘門、啟閉機制造設(shè)計聯(lián)絡(luò)會已明確閘門廠預(yù)制缸體外殼來制造定閘門體內(nèi)安裝油缸的中心，來保證連接時中心重合，這在前期已經(jīng)考慮且現(xiàn)場安裝時復(fù)核中心較好。這樣閘門與啟閉機連接后，以閘門中心為控制中心來調(diào)整液壓啟閉機油缸機架孔口中心與閘門中心一致，水平度和垂直度滿足要求后固定基座螺栓，固定基座與活塞缸端頭大螺母，這樣的安裝控制能保證閘門啟閉機啟閉運行中的穩(wěn)定，一般不存在因基座不穩(wěn)、安裝軸線不正、閘門門槽間隙不夠等可能產(chǎn)生的機械振動。

3.2 流體方面振動因素分析

（1）液壓油方面的因數(shù)。液壓啟閉機機、電、液是個整體系統(tǒng)，產(chǎn)生振動故障的閘門啟閉機液壓站設(shè)在獨立啟閉機控制室內(nèi)，產(chǎn)生振動與噪聲是在閘門孔中，故在排除機械方面因數(shù)后考慮液壓流體方面因數(shù)，先考慮的是液壓油因數(shù)。液壓啟閉機的執(zhí)行液壓閥、溢流閥、電磁換向閥、單向閥等各種閥件都是制造精密的元件，液壓油的潔凈度高，且該工程選用PARK等高質(zhì)量閥件，尚若高壓油中微小的污染物劃傷元件表面，則會加劇磨損、出現(xiàn)節(jié)流孔堵塞，閥芯發(fā)卡等，進而引起泄漏、竄動[2，5-6]。該工程安裝完成調(diào)試前，首先對液壓油進行過濾，再外送專業(yè)機構(gòu)檢測達到NAS 9級，經(jīng)監(jiān)理確認后再加油，靜止24 h后打開出油箱、油缸排氣孔排出空氣，防止空氣在高壓油運行中產(chǎn)生振動與噪聲。由此分析基本排除因液壓油因素產(chǎn)生的振動。

（2）流體方面的因數(shù)。液壓啟閉機系統(tǒng)原理見圖2。由圖1及圖2可知閘門采用倒掛式雙缸同步啟閉控制閘門運行。雙缸同步控制采用閉環(huán)控制旁路放油糾偏達到同步控制。譚宗柒等分析閘門啟閉過程中雙缸存在偏載和液壓系統(tǒng)不對稱的客觀因數(shù)[2，4-5]，實際啟閉中通過糾偏達到近似的同步，從理論上看會產(chǎn)生振動和噪聲因數(shù)，只要偏差控制在規(guī)定范圍內(nèi)，那么振動和噪聲即可控和可接受。

圖2 液壓啟閉機系統(tǒng)原理圖

從圖2可知，閘門開啟操作時先啟動1臺油泵電機，先導(dǎo)電磁溢流閥卸荷，延時10 s左右，電磁溢流閥電磁鐵YV2.*通電，壓力油經(jīng)25.*精密調(diào)節(jié)后分2路進入流液壓缸有桿腔，無桿腔的油經(jīng)過單向順序閥件24.*，磁換向閥21.*流回 回油箱，實現(xiàn)啟門動作。在閘門啟門過程中，開度及行程控制裝置連續(xù)檢測2只液壓缸行程偏差，當(dāng)2只液壓缸的行程偏差值＞20 mm時，通過PLC控制程序自動發(fā)出糾偏令，相應(yīng)的糾偏閥YV4.* 或YV5.*自動通電，電磁球閥旁路泄油糾偏，使偏差值≤20 mm閘門同步后停止糾偏調(diào)節(jié)，這樣實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)液壓缸的同步精度。在閘門運行過程中實時檢測實時啟動糾偏，響應(yīng)及時，同樣閘門關(guān)閉過程中同步執(zhí)行程序相同，正常的閘門啟閉不至于產(chǎn)生較大的振動和噪聲，而且前面已概述故障噪聲發(fā)生時未執(zhí)行糾偏程序，不存在糾偏過程中產(chǎn)生的噪聲?，F(xiàn)場把左缸和右缸互換安裝后，執(zhí)行啟門時產(chǎn)生振動和噪聲發(fā)生在右缸，只是產(chǎn)生振動和噪聲的行程范圍與上一次不是完全一致。至此閘門啟門過程中的產(chǎn)生不明振動和噪聲的原因經(jīng)過多次專家現(xiàn)場查看分析，均找不到原因，只是可以確定問題出現(xiàn)在左缸上。經(jīng)分析只有把左邊的液壓油缸返廠解體查找原因。

4 液壓啟閉機故障解決

4.1 返廠解體檢查

液壓油缸返廠后，上工廠平衡試驗臺檢查動平衡，發(fā)現(xiàn)平衡性較好，不存在油缸中心偏差的問題。再把油缸安裝到工廠聯(lián)動試驗臺，進行單油缸活塞桿升縮操作，發(fā)現(xiàn)依然出現(xiàn)類似工地現(xiàn)場發(fā)生的振動和噪聲，這樣只有在工廠拆卸進一步診斷。油缸、活塞桿解體后發(fā)現(xiàn)在活塞桿端頭有一處長80 mm、寬10 mm的表面細裂紋（見圖3），缸體內(nèi)部存在幾處直徑為6 mm左右的潔質(zhì)（見圖4）。經(jīng)過分析認為應(yīng)該在工地安裝時有不當(dāng)焊接施工，焊接施工時活塞桿端頭有接地電流流過擊穿桿子金屬引起裂紋，具體原理見故障接地破壞示意圖5。

圖3 活塞桿端頭裂紋圖

圖4 油缸內(nèi)表面潔質(zhì)圖

圖5 故障接地破壞示意圖

4.2 活塞桿修復(fù)處理

找到問題后需對活塞桿上磨床進行缺陷修復(fù)，再動平衡校驗，油缸組裝后安裝到工廠聯(lián)動試驗臺，再進行單油缸活塞桿升縮操作，此時全行程伸縮操作不再產(chǎn)生上述振動和噪聲。這樣困擾多時的故障徹底排除，可以確定油缸活塞桿端頭存在的表面黑色細裂紋和潔質(zhì)使得啟閉機運行時高壓高速油流在通流截面突變產(chǎn)生紊流，并產(chǎn)生湍動，使得缸體振動，發(fā)出噪聲。

4.3 油缸現(xiàn)場安裝并進行調(diào)試

返廠啟閉機設(shè)備運輸?shù)焦さ睾螅瑖?yán)格按照施工圖紙和相關(guān)規(guī)范確保安裝精度，并檢查缸筒安裝就位后是否受到閘門主梁的干涉使得缸筒出現(xiàn)彎曲變形。現(xiàn)場調(diào)試首先排除油缸內(nèi)的空氣，接著對液壓系統(tǒng)進行調(diào)試檢查，發(fā)現(xiàn)所有液壓閥均能正常工作，并調(diào)定所有閥件的油口開度、控制壓力值。開機后通過速度控制發(fā)現(xiàn)閘門及啟閉機運行平穩(wěn)。

5 結(jié) 語

通過對倒掛式雙缸同步的閘門液壓啟閉運行中產(chǎn)生振動與噪聲的因數(shù)分析，排查故障的過程梳理。得出3點建議可供排除類似液壓啟閉機故障參考。

（1）閘門、液壓啟閉機的安裝、調(diào)試必須按照施工規(guī)范，工藝要求，調(diào)試大綱按部就班，嚴(yán)控程序，保證分部質(zhì)量，才能降低出現(xiàn)疑難故障的概率。查找問題應(yīng)先簡單后復(fù)雜，先機械因素后流體因素，逐一排查，直至找到問題根源并解決。

（2）液壓啟閉機尤其是高油壓大型啟閉機，閘門液壓啟閉過程中油流的流動狀態(tài)、液壓件內(nèi)部的零件動作，活塞桿體及密封件的損壞等情況是較難直觀檢查，平常在運行維護中需要嚴(yán)密監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常及早排查根源，徹底解決問題，才能保證液壓啟閉機運行的高性能。

（3）要保證液壓設(shè)備的高性能運行，選用高質(zhì)量的機、電、液產(chǎn)品是發(fā)揮整體設(shè)備使用穩(wěn)定性的關(guān)鍵因數(shù)。

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[5] 李亮.雙吊點液壓啟閉機同步控制應(yīng)用[J].山西水利科技，2014(8)：48 - 49.

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（責(zé)任編輯 黃 超）

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潘志軍(1976 - )，男，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)與管理工作。E - mail：pzj1015@163.com