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        閉式液壓系統(tǒng)壓力波動故障原因分析及排除

        2022-05-17 08:46:18楊永軍鄒玉祥翁秀明
        關(guān)鍵詞:故障系統(tǒng)

        王 海,楊永軍,鄒玉祥,翁秀明

        (江蘇省機(jī)械研究設(shè)計院有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210012)

        某氣化爐裝置采用的閉式液壓系統(tǒng),在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了壓力波動的故障,對生產(chǎn)線的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響。本文將對故障產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,并提供解決方法。

        1 系統(tǒng)組成及工況介紹

        液壓系統(tǒng)原理如圖1所示,油源裝置采用國外知名廠家(以下簡稱泵廠)的恒壓變量柱塞泵,內(nèi)部集成有伺服補(bǔ)油泵、更油閥、更油壓力閥、伺服壓力閥、補(bǔ)油壓力閥等組件,具有技術(shù)成熟、集成化程度高、壽命長的特點(diǎn)[1-2],在多個行業(yè)都有應(yīng)用;執(zhí)行元件采用的是低速大扭矩液壓馬達(dá),具有低速穩(wěn)定、輸出轉(zhuǎn)矩大、可靠性高的特點(diǎn),應(yīng)用廣泛。

        圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

        系統(tǒng)運(yùn)行時,液壓馬達(dá)驅(qū)動氣化爐裝置內(nèi)的主軸旋轉(zhuǎn),主軸上安裝有刀組,常規(guī)工況下,用以破碎爐內(nèi)搭橋和結(jié)塊的煤渣,極端工況下,需破碎爐內(nèi)掉落的高強(qiáng)度耐火磚。系統(tǒng)按極端工況參數(shù)設(shè)計。

        2 故障現(xiàn)象

        系統(tǒng)在交付用戶前進(jìn)行了168 h的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn),各項(xiàng)參數(shù)均滿足既定要求。在試驗(yàn)過程中,系統(tǒng)油液溫度可穩(wěn)定控制在(50±4) ℃,壓力穩(wěn)定,波動幅度極小,測得補(bǔ)油路壓力為2.3 MPa,A油路壓力為3.4 MPa,B油路壓力為2.1 MPa。

        在交付用戶連續(xù)運(yùn)行了約15個月后,出現(xiàn)如下故障:油液溫度較低時,運(yùn)行正常;油液溫度升到40 ℃后,開始出現(xiàn)持續(xù)性的、周期性的壓力波動現(xiàn)象;油液溫度進(jìn)一步升到50 ℃后,壓力波動劇烈,連接液壓泵和馬達(dá)的液壓軟管抖動明顯,此時觀測到補(bǔ)油路壓力在2.4 MPa至3.3 MPa之間波動,A油路壓力在3.2 MPa至4.4 MPa之間波動,B油路壓力在2.3 MPa至3.4 MPa之間波動。

        3 故障原因分析

        經(jīng)初步分析認(rèn)為,導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動的原因可能有以下3種:1)壓力控制組件出現(xiàn)故障,如閥芯卡滯、運(yùn)動不靈活等;2)管路中氣體未能排盡,隨油液在泵—管路—馬達(dá)中循環(huán),在高壓管路中被壓縮,在低壓管路中膨脹,造成壓力的周期性波動;3)補(bǔ)油路壓力值設(shè)定錯誤[3]。

        針對可能性1),采取更換全新壓力控制組件的方法加以驗(yàn)證。將1臺全新泵上的壓力控制組件拆下進(jìn)行替換,但系統(tǒng)運(yùn)行時壓力波動現(xiàn)象依舊存在,故障未能排除。

        針對可能性2),采取對泵的吸油管路和工作管路充分排氣的方法進(jìn)行驗(yàn)證。首先將伺服補(bǔ)油泵與油箱之間的吸油管路分別松開,盡可能地排除殘存空氣后再連接;然后將主液壓泵和液壓馬達(dá)之間的管路松開,在內(nèi)部灌滿油液后再連接;最后在A油路和B油路的最高位置處分別加裝排氣閥,在系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)行排氣。完成上述操作后,發(fā)現(xiàn)壓力波動現(xiàn)象依舊存在,故障未能排除。

        針對可能性3),采取調(diào)整補(bǔ)油路壓力值的方法加以驗(yàn)證。根據(jù)泵廠提供的資料和圖1液壓系統(tǒng)原理圖可知,補(bǔ)油路壓力由補(bǔ)油壓力閥和更油壓力閥中調(diào)定值低者控制,補(bǔ)油壓力閥原始設(shè)定值為3.5 MPa,用戶無法自行調(diào)整,而更油壓力閥可由用戶按照所需調(diào)整,因此補(bǔ)油路壓力值即由更油壓力閥調(diào)整。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下,將更油壓力閥的設(shè)定值調(diào)低,觀測到補(bǔ)油路壓力隨之降低,但壓力波動現(xiàn)象依舊存在,繼續(xù)調(diào)低至1.8 MPa時,觸發(fā)了系統(tǒng)“補(bǔ)油壓力過低”的保護(hù)功能,系統(tǒng)停機(jī)。重新開機(jī)運(yùn)行后,將更油壓力閥的設(shè)定值調(diào)高,當(dāng)調(diào)至3.2 MPa時,補(bǔ)油路、A油路、B油路的壓力波動程度均大幅減小,后繼續(xù)調(diào)高至3.5 MPa時,壓力波動現(xiàn)象完全消失,此時觀測到A油路壓力為4.1 MPa,B油路壓力為3.3 MPa。系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)雖然壓力波動現(xiàn)象消失了,但是油液溫度卻在40 min內(nèi)上升到了70 ℃,并觸發(fā)了“油液溫度過高”的保護(hù)功能,無法繼續(xù)運(yùn)行。

        經(jīng)分析,油液溫度升高的原因是更油壓力閥的設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到或超過了補(bǔ)油壓力閥的設(shè)定值,導(dǎo)致伺服補(bǔ)油泵輸出的油液,除少量彌補(bǔ)馬達(dá)、泵的泄漏外[4],其余未經(jīng)冷卻器冷卻,而是直接通過主液壓泵的泄漏口回到了油箱。因此,上述調(diào)高更油壓力閥設(shè)定值的方法雖然可以消除系統(tǒng)的壓力波動,但另外產(chǎn)生了油溫不可控的新問題,表明此方法不可行。

        上述3種可能性已通過驗(yàn)證的方法加以排除,為此重新結(jié)合系統(tǒng)的工作模式、工況條件、故障現(xiàn)象以及獲得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行系統(tǒng)性研究分析。

        從原理圖可見,初始狀態(tài)下,更油壓力閥的閥芯兩端受彈簧力的作用,處于中位。系統(tǒng)運(yùn)行時,閥芯左端受A油路壓力Pa的作用,閥芯右端受B油路壓力Pb的作用,即閥芯由A油路和B油路的壓差ΔP控制。Pa,Pb,ΔP的計算公式為:

        Pa=ΔP馬達(dá)+P補(bǔ)+ΔP黏+ΔP其他

        (1)

        Pb=P補(bǔ)-ΔP黏-ΔP其他

        (2)

        ΔP=|Pa-Pb|=ΔP馬達(dá)+ΔP黏+ΔP其他

        (3)

        式中:ΔP馬達(dá)為馬達(dá)的工作壓差,取決于馬達(dá)的工作負(fù)載,包括主軸與主機(jī)殼體內(nèi)密封填料間的摩擦力矩,以及刀組對爐內(nèi)搭橋和結(jié)塊煤渣的破碎力矩等;P補(bǔ)為補(bǔ)油路壓力;ΔP黏為油液在流動時因具有黏度而產(chǎn)生的壓力損失;ΔP其他為系統(tǒng)內(nèi)其他各類壓力損失,在工況穩(wěn)定的情況下可視為定值。

        當(dāng)ΔP作用在閥芯上的液壓力F小于閥芯受到的彈簧力時,閥芯處于中位,補(bǔ)油壓力由補(bǔ)油壓力閥設(shè)定,即為3.5 MPa。F的計算公式為:

        F=ΔP×A

        (4)

        式中:A為閥芯的有效作用面積。

        當(dāng)ΔP作用在閥芯上的液壓力F大于閥芯受到的彈簧力時,閥芯運(yùn)動到左位(或右位),此時補(bǔ)油路壓力由補(bǔ)油壓力閥和更油壓力閥中調(diào)定值低者控制。為使油液能經(jīng)更油壓力閥后進(jìn)入冷卻器,系統(tǒng)出廠時將更油壓力閥調(diào)定為2.3 MPa。

        若ΔP作用在閥芯上的液壓力與彈簧力非常接近,且還存在一定范圍的波動時,就會導(dǎo)致閥芯在左位(或右位)和中位之間不斷運(yùn)動,造成補(bǔ)油壓力在2.3 MPa至3.5 MPa之間波動,并引起A油路壓力和B油路壓力的同步波動。為此需對ΔP組成中的ΔP馬達(dá)和ΔP黏進(jìn)行分析。

        ΔP馬達(dá):馬達(dá)驅(qū)動的主軸與主機(jī)殼體間的密封填料在出廠時受到的壓緊力較大,因此主軸與填料的相互摩擦力也較大,但在長時間運(yùn)行后,填料逐漸磨損,從而使摩擦力減小,馬達(dá)的負(fù)載隨之減小,ΔP馬達(dá)減?。淮送?,刀組對煤渣的破碎并不是完全連續(xù)的,當(dāng)煤渣較小無需破碎時,馬達(dá)的工作負(fù)載很小,ΔP馬達(dá)很小,當(dāng)遇到搭橋或結(jié)塊的煤渣時,所需破碎力矩較大,馬達(dá)的工作負(fù)載變大,ΔP馬達(dá)隨之增大。

        ΔP黏:系統(tǒng)使用的是L-HM46抗磨液壓油,在壓力小于50 MPa時,油液黏度可認(rèn)為只與溫度有關(guān)。根據(jù)油液的黏溫特性曲線可知,黏度是隨溫度的升高而減小的,即ΔP黏隨溫度的升高而減小。

        結(jié)合上述分析可見,在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,ΔP是在時刻變化的,其作用在閥芯上的液壓力也在變化著,這就導(dǎo)致了閥芯在中位和左位(或右位)之間不斷運(yùn)動,造成P補(bǔ)在2.3 MPa至3.5 MPa之間不斷波動。

        4 排除方法

        為驗(yàn)證上述分析結(jié)果,在系統(tǒng)的A油路加裝了一只高壓球閥,并以減小球閥開度的方法對油液進(jìn)行節(jié)流加載[5],模擬增大馬達(dá)的負(fù)載ΔP馬達(dá),使ΔP升高了0.5 MPa,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)壓力波動現(xiàn)象完全消失。后續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行了48 h連續(xù)運(yùn)行測試,各項(xiàng)參數(shù)均正常,確認(rèn)故障排除。

        據(jù)此,將上述方案優(yōu)化如下:

        1) 在A油路(或B油路,根據(jù)正常工作時的油液流向確定)增設(shè)節(jié)流閥,如圖2所示,或增設(shè)單向節(jié)流閥,如圖3所示。通過節(jié)流加載的方式,增大ΔP,確保作用在更油閥閥芯上的液壓力大于其受到的彈簧力。此方法優(yōu)點(diǎn)是簡單易行、加裝方便,適用于長期運(yùn)行于低負(fù)載工況的系統(tǒng)。

        圖2 節(jié)流閥

        2) 在A油路(或B油路,根據(jù)正常工作時的油液流向確定)增設(shè)單向順序閥,如圖4所示。該順序閥也可增大ΔP,優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)A油路工作壓力超過順序閥的調(diào)定值時,油液流經(jīng)該順序閥的壓降小、發(fā)熱量少,特別適用于短期處于低負(fù)載工況的系統(tǒng)。

        圖4 單向順序閥

        5 結(jié)論

        1)對類似于本系統(tǒng)的特殊工況,在進(jìn)行方案設(shè)計時不僅要考慮重載工況,還應(yīng)考慮能滿足長期運(yùn)行的輕載工況。

        2)在查找故障原因的過程中,必須對采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,分析各種可能性,并逐一驗(yàn)證。

        3)解決故障的方案可根據(jù)不同的運(yùn)行工況,進(jìn)行合理化選擇。

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