(首鋼集團有限公司 技術(shù)研究院, 北京 100043)

引言

研究表明，液壓系統(tǒng)80%的故障與液壓液污染有關(guān)，而其中75%以上是固體顆粒污染造成的[1]，液壓系統(tǒng)中存在的污染物進入間隙會對閥芯和閥體造成磨損[2]，污染也極易造成液壓泵磨損，國內(nèi)外學(xué)者開展了廣泛研究[3-11]，液壓系統(tǒng)污染已成為各有關(guān)行業(yè)急需解決的問題。分析污染產(chǎn)生的原因及其規(guī)律，實施液壓系統(tǒng)油液污染控制，對于提高液壓元件的使用壽命和液壓系統(tǒng)的可靠性、降低故障率和保障安全具有重要意義。

1 背景綜述

公司內(nèi)部冷軋模擬器負責(zé)中試車間新鋼種模擬軋制，該模擬器采用液壓伺服控制系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)具有反應(yīng)快、系統(tǒng)剛度大和控制精度高等優(yōu)點[12]。

表1 攻關(guān)前液壓缸抖動數(shù)據(jù)

注：因缺乏抖動數(shù)據(jù)采集設(shè)備，此處抖動采用速度單位表示，是按照液壓缸最大行程時，其抖動在控制界面顯示的最大速度值

模擬器液壓系統(tǒng)分四套系統(tǒng)：1#控制油路系統(tǒng)，2#系統(tǒng)主要負責(zé)液壓AGC、切斷、換輥等，3#張力液壓系統(tǒng)，4#循環(huán)冷卻系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 冷軋模擬器

張力液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件由入口液壓缸和出口液壓缸組成，兩個液壓缸規(guī)格相同。兩側(cè)液壓缸分別夾持引帶，引帶與試樣焊接進行軋制。經(jīng)過多年使用后，冷軋模擬器運行穩(wěn)定性下降，存在張力液壓缸抖動，抖動過大造成張力波動進而無法正常軋制。表1為項目攻關(guān)前液壓缸抖動采集數(shù)據(jù)。

根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，抖動幅度在2 mm/s以內(nèi)時，可以正常軋制。此次采集數(shù)據(jù)抖動均值為2.61 mm/s，標準差為1.21 mm/s，均值與設(shè)備要求值有一定差距，且波動幅度大，冷軋模擬器運行的準確性與穩(wěn)定性不足。

液壓缸抖動與液壓油污染濃度、關(guān)鍵元件性能指標、油液含氣量有關(guān)。考慮到70%～80%的液壓故障與油液污染有關(guān)，優(yōu)先考慮液壓油污染濃度是否滿足使用要求。

液壓油常見的污染物主要以固體顆粒、水分和空氣為主。其中顆粒是液壓系統(tǒng)最主要、危害最大的污染物，是引起系統(tǒng)故障、可靠性降低和附件壽命縮短的重要根源，也是污染控制對象的重點。固體顆粒污染物主要由金屬微粒、灰砂、橡膠末、纖維和積碳等物質(zhì)組成。

2 液壓油現(xiàn)狀

冷軋模擬器選用46#抗磨液壓油，從液壓油箱放油口取少量液壓油，發(fā)現(xiàn)液壓油存在黑色雜質(zhì)，如圖2所示。

圖2 液壓油雜質(zhì)現(xiàn)象

對液壓油黏度、酸值、水份檢測如表2所示。

表2 液壓油檢測結(jié)果

通過對液壓油酸值、水量、黏度檢測分析，滿足使用標準，液壓油清澈明亮、無異味。為分析油液中雜質(zhì)來源，對雜質(zhì)進行成分分析，分析結(jié)果如表3所示，檢測結(jié)果以鐵化合物為主，沒有銅等其他雜質(zhì)。

表3 液壓油雜質(zhì)檢測結(jié)果

對液壓油進行污染濃度檢測，液壓油檢測采用INTERNORMEN CCS4檢測儀，如圖3所示，檢測結(jié)果如表4所示。

圖3 INTERNORMEN CCS4檢測儀

表4 液壓油污染濃度檢測結(jié)果

檢測發(fā)現(xiàn)，油液污染濃度為7級，冷軋模擬器是伺服液壓系統(tǒng)，油液等級要求為5級，目前液壓油污染濃度無法滿足使用要求，打破污染平衡過程，對液壓元件壽命及液壓系統(tǒng)穩(wěn)定運行有較大危害。

3 污染平衡機理分析

液壓元件的工作可靠性和使用壽命很大程度上取決于其自身的耐污染能力和系統(tǒng)油液的污染狀況。液壓系統(tǒng)污染控制的目的和內(nèi)容：在一定工作條件下，通過污染控制措施使系統(tǒng)油液的污染濃度與關(guān)鍵液壓元件的污染耐受度達到合理的平衡，以保證元件的可靠性和壽命[13]。

建立冷軋模擬器液壓污染控制系統(tǒng)模型，考慮冷軋模擬器實際情況，存在吸油、壓油2個過濾器，把液壓系統(tǒng)分為系統(tǒng)油箱、動力元件組、控制和工作元件組三部分，分別作為3個污物浸入點，如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)污染控制模型

圖4中，V為油箱中液壓油的體積，q為系統(tǒng)流量，R0(t)，R1(t)，R2(t)分別為外部污染物、泵內(nèi)部磨損污染物、控制與工作元件組磨損生成污染物的侵入速率；K0(t)，K1(t)，K2(t)分別為油箱中、動力元件組上游、控制及工作元件組上游油液的污染濃度；β1，β2分別為吸油、壓油過濾器的過濾比，對于正常工作的液壓系統(tǒng)來說，設(shè)計和選擇過濾系統(tǒng)型式及參數(shù)時，總是設(shè)法使系統(tǒng)油液在各個時刻的污染濃度不大于系統(tǒng)中對污染顆粒最敏感的元件所要求的污染濃度。

在任一微時段[t，t+Δt]，過濾系統(tǒng)污染平衡關(guān)系如下：

(1)

(2)

(3)

把式(3)轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

R2(t)+R0(t)

(4)

同樣，令：

(5)

把式(5)代入式(4)可得：

(6)

式(6)可變?yōu)椋?/p>

(7)

推導(dǎo)了基于式(1)、式 (2)、式(5)、式(7)的液壓污染控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，式(7)為一階常微分方程，其解為：

(8)

式中，K0(0)為油液的初始污染濃度。

對于圖4中的過濾系統(tǒng)，假定動力元件組、控制及工作元件組中最敏感元件所要求的油液污染度分別為[KP]，[KC]。則由式(1)和式(2)有：

(9)

(10)

將式(8)帶入式(9)、式(10)得：

(11)

(12)

通過污染平衡機理分析可知：為提高系統(tǒng)可靠性，液壓系統(tǒng)流量、過濾性能、液壓油污染濃度為污染平衡控制的3個關(guān)鍵影響因子。在冷軋模擬器液壓系統(tǒng)流量確定情況下，改造系統(tǒng)成本過高，應(yīng)重點關(guān)注液壓油污染濃度控制、過濾性能2個關(guān)鍵影響因子。

4 PBCC策略及其應(yīng)用

油液污染濃度不滿足冷軋模擬器液壓系統(tǒng)使用標準，依據(jù)前述污染平衡機理，提出污染平衡協(xié)同控制策略，即PBCC策略：消除污染源-油液循環(huán)沖洗過濾-保持濾芯過濾性能，詳細措施如下所示。

4.1 消除污染源

首先查找鐵化合物雜質(zhì)來源，分析液壓系統(tǒng)各個液壓元件及附件，其中重點分析鐵質(zhì)元件及附件。液壓系統(tǒng)主回油路存在截止閥，該閥為鑄鐵材質(zhì)，檢測截止閥存在大量銹跡，如圖5所示，更換鑄鐵截止閥為不銹鋼截止閥，如圖6所示，消除液壓系統(tǒng)污染源。

圖5 截止閥內(nèi)部生銹圖

圖6 更換為不銹鋼截止閥

4.2 油液循環(huán)沖洗過濾

同時對液壓油油箱及管道中油液進行循環(huán)沖洗過濾，如圖7所示，選擇的沖洗回路跳過敏感元件，并盡可能減少流動阻力，本系統(tǒng)沖洗時先從支路沖洗到主管道，然后將支路與主管道隔開，再沖洗主管道。

圖7 油液循環(huán)沖洗過濾

循環(huán)沖洗過濾完成后，再次檢測油液污染濃度，等級達到5級，如表5所示，滿足液壓伺服系統(tǒng)使用要求。

表5 循環(huán)沖洗過濾后液壓油污染濃度檢測結(jié)果

4.3 保持濾芯過濾性能

通過污染平衡機理分析，濾芯過濾性能是污染控制關(guān)鍵影響因子。因為截止閥生銹，存在污染源，污染入侵率高，高污染入侵率增加濾芯負擔，縮短濾芯使用壽命，污染程度越高，濾芯使用壽命越低。

檢查吸油及壓油過濾器濾芯，原濾芯存在較多鐵屑及塑料雜質(zhì)，如圖8所示，雜質(zhì)在濾芯孔徑通道淤積滯留，使濾芯有效納污容量降低，濾芯過濾性能下降，需要更換新濾芯，如圖9所示，保持濾芯高過濾性能。

圖8 原液壓濾芯

圖9 液壓濾芯更換

5 實驗結(jié)果方差分析

PBCC策略實施后，即消除污染源、油液循環(huán)沖洗過濾，保持濾芯過濾性能，采集抖動數(shù)據(jù)，評價攻關(guān)結(jié)果，如表6所示。

采用假設(shè)檢驗方法，通過方差分析，檢驗攻關(guān)結(jié)果。統(tǒng)計上依據(jù)小概率原理，“顯著”置信水平α=0.05和“極顯著”置信水平α=0.01。方差分析是在自變量的整個取值范圍研究自變量與因變量的相關(guān)關(guān)系，通過數(shù)量較少的樣本數(shù)據(jù)，辨明對因變量有顯著性影響的自變量[14]。

表6 攻關(guān)后液壓缸抖動數(shù)據(jù)

表7 方差分析參數(shù)定義

單因子方差分析：分析PBCC策略對液壓缸的抖動影響。

原假設(shè)H0：PBCC策略對液壓缸的抖動無影響。

備則假設(shè)Ha：PBCC策略對液壓缸的抖動有影響。

通過檢查，數(shù)據(jù)獨立正太等方差。將總差異分解為組內(nèi)差異(組內(nèi)離差平方和)與組間差異(組間離差平方和)，除以各自的自由度，得到各自的平均平方和。

總離差平方和：

(13)

組間離差平方和由系統(tǒng)誤差引起，組間離差平方和：

(14)

組內(nèi)離差平方和由隨機誤差引起，隨機誤差服從正態(tài)分布；組內(nèi)離差平方和：

(15)

式中，dfE為組間離差平方和自由度。

用組間平均平方和與組內(nèi)平均平方和相比，得到F值，F(xiàn)比值很大時，說明水平變化的影響很大；反之，說明水平的變化影響不大。

平均平方和及F統(tǒng)計量：

(16)

式中，MSA為組間平均平方；MSE為組內(nèi)平均平方；F為卡方分布值，通過查表，可以得到檢驗統(tǒng)計量P值。在P檢驗中，0.05為P檢驗的顯著性閾值；0.01為P檢驗的極顯著性閾值。表7為方差分析參數(shù)定義，表8為方差分析結(jié)果。

表8 方差分析結(jié)果

由表8分析結(jié)果可知，P=0.00<0.01<0.05，PBCC策略為極顯著因素，拒絕原假設(shè)。PBCC策略實施對液壓缸抖動有極顯著影響，抖動幅值v從2.61 mm/s 降低至1.08 mm/s，標準差從1.21 mm/s降低至0.29 mm/s，如圖10所示，均值與波動程度大幅降低，冷軋模擬器運行的準確性與穩(wěn)定性顯著提高。

6 結(jié)論

(1) 液壓系統(tǒng)的污染控制過程實質(zhì)上是污染物侵入和過濾的動態(tài)平衡過程，系統(tǒng)流量、液壓油污染濃度、過濾性能是影響液壓系統(tǒng)污染平衡控制的3個關(guān)鍵影響因子；

(2) 首次提出PBCC策略：消除污染源-油液循環(huán)沖洗過濾-保持濾芯過濾性能。PBCC策略是一整套前后協(xié)調(diào)、相互統(tǒng)一的設(shè)備液壓系統(tǒng)油液污染控制指導(dǎo)方法，可以推廣到其他設(shè)備作為參考應(yīng)用；

圖10 攻關(guān)前后抖動值對比圖

(3) 通過假設(shè)檢驗和方差分析結(jié)果，PBCC策略實施后，液壓缸抖動均值與波動程度大幅降低，提高了冷軋模擬器運行的準確性與穩(wěn)定性。