溫度變化引起水利水電工程液壓啟閉機(jī)故障分析

鄭 莉,耿紅磊,古小七

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心,河南 鄭州 450044)

溫度變化引起水利水電工程液壓啟閉機(jī)故障分析

鄭 莉,耿紅磊,古小七

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心,河南 鄭州 450044)

文中通過介紹兩個水利水電工程液壓啟閉機(jī)故障的實例,分析了受環(huán)境溫度影響液壓啟閉機(jī)產(chǎn)生故障的原因,并提出了故障的解決方法及避免出現(xiàn)類似問題的建議.

液壓啟閉機(jī);故障分析;溫度變化;建議

1 概述

2015年4月,參加華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機(jī)故障分析會,故障主要表現(xiàn)在液壓啟閉機(jī)支鉸座、機(jī)架的連接螺栓斷裂及液壓缸活塞桿彎曲;2016年6月,參加河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機(jī)故障分析會,故障主要表現(xiàn)在液壓啟閉機(jī)液壓缸活塞桿彎曲.

2 故障介紹及初步分析

華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機(jī)于2014年10月份安裝調(diào)試完畢,最后啟動液壓啟閉機(jī)是2015年1月17日,是華北地區(qū)最冷的時候.在2015年3月30日,發(fā)現(xiàn)液壓缸支鉸座與機(jī)架連接螺栓斷一個,兩個螺栓脫絲,螺母退出,支鉸座與機(jī)架脫離,油缸支鉸座中的軸承從支鉸座中脫離出來,液壓缸活塞桿彎曲,而2015年3月30日,又是華北地區(qū)溫度比較高的時間.通過對輸水洞液壓啟閉機(jī)圖紙審查及現(xiàn)場啟閉機(jī)初步故障排查,此次故障非運行操作失誤,初步分析為溫度變化和制造安裝質(zhì)量引起的故障.

2016年6月,河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機(jī)出現(xiàn)活塞桿彎曲故障.通過察看現(xiàn)場和與有關(guān)人員進(jìn)行溝通交流,發(fā)現(xiàn)液壓啟閉機(jī)的兩個截止閥處于關(guān)閉狀態(tài),活塞桿處于伸出狀態(tài),閘門底止水部分漏水嚴(yán)重.該輸水洞液壓啟閉機(jī)最后一次運行是兩星期前進(jìn)行的,工作人員將啟閉機(jī)操作到位以后,并將兩個截止閥關(guān)閉,此時環(huán)境溫度逐步升高且晝夜溫差較大.初步分析該輸水洞液壓啟閉機(jī)出現(xiàn)活塞桿彎曲故障的原因為溫度變化和工作人員操作不當(dāng)造成的.

3 氣溫變化引起液壓啟閉機(jī)故障分析

通過對兩個工程液壓啟閉機(jī)故障的初步分析,溫度變化是引起故障的前提條件,因此以此為著手點將產(chǎn)生故障的原因分析如下:華北某水庫的輸水洞液壓啟閉機(jī)最后一次運行是2015年1月17日,是華北地區(qū)最冷的時候.液壓啟閉機(jī)的狀態(tài)是活塞桿伸出,閘門處于完全關(guān)閉狀態(tài).根據(jù)液壓油的溫度特性,此時,液壓缸無桿腔中的液壓油體積處于最小狀態(tài),隨著時間的推移和氣溫不斷提高,液壓缸無桿腔中的液壓油體積逐步增加,假設(shè)啟閉機(jī)無桿腔液壓油的初始體積為V0,熱膨脹系數(shù)為α,那么當(dāng)溫度升高△t時,其無桿腔液壓油體積變化值△Vb為:

液壓油體積的增加直接導(dǎo)致液壓油給活塞桿一個向下的力,使活塞桿繼續(xù)移動,假設(shè)無桿腔活塞作用面積為S,那么當(dāng)無桿腔液壓油體積變化值△Vb時,活塞桿的位移量L為:

由公式(1)、(2)可以看出,若此時活塞桿處于自由狀態(tài)的話,活塞桿的位移量為L,但是由于閘門已經(jīng)下降到底坎位置,活塞桿不能移動.同時由于液壓油體積的增加,而實際液壓缸的活塞桿是不運動的,所以溫度變化導(dǎo)致液壓啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)壓力在變化.啟閉機(jī)無桿腔液壓油的初始體積為V0,那么當(dāng)溫度升高△t時,其無桿腔液壓油體積膨脹值為△Vb,但是由于活塞桿不能移動即無桿腔的體積沒有發(fā)生變化,那么相當(dāng)于液壓油的體積被壓縮了△Vb,液壓油壓縮系數(shù)為 β,那么因為體積壓縮而產(chǎn)生的壓力變化值△P為:

將公式(1)中的△Vb代入公式(3)中可得,溫度變化與壓力之間的關(guān)系為:

所以液壓啟閉機(jī)當(dāng)活塞桿位置鎖定時,油缸內(nèi)的壓力隨溫度升高而升高.所以為了液壓啟閉機(jī)的安全運行,在油缸系統(tǒng)中設(shè)置了安全閥,該安全閥的主要作用是:當(dāng)油缸的某腔壓力超過安全閥設(shè)定的壓力時,安全閥打開進(jìn)行卸油減壓,保證系統(tǒng)中的零部件進(jìn)行安全運行.理論上講,隨著氣溫的不斷升高,液壓系統(tǒng)壓力不斷增加,液壓缸支鉸座與機(jī)架連接螺栓受的拉力也不斷增加,當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力增加到液壓缸安全閥設(shè)定的壓力值時,安全閥打開溢流,液壓缸無桿腔中的液壓油回到油箱中,液壓系統(tǒng)壓力下降,從而對液壓啟閉機(jī)及其連接部件起到保護(hù)作用.

華北該水庫輸水洞液壓啟閉機(jī)出現(xiàn)以上故障,從現(xiàn)場情況分析看溫度變化是引起故障的前提條件,但是該液壓啟閉機(jī)配備有安全閥,且安全閥是可以正常運行的.通過現(xiàn)場對故障仔細(xì)排查發(fā)現(xiàn),液壓缸支鉸座與機(jī)架連接螺栓不符合設(shè)計要求,設(shè)計要求連接螺栓強度等級為12.8級,而實際連接螺栓有的強度等級為8.8級,有的連接螺栓沒有標(biāo)注強度等級.眾所周知,整個設(shè)備首先損壞的應(yīng)該是其強度最薄弱的零部件,在這臺液壓啟閉機(jī)設(shè)備中,液壓缸支鉸座與機(jī)架連接螺栓是其薄弱環(huán)節(jié)(理論上講不應(yīng)該成為薄弱環(huán)節(jié)),當(dāng)隨著氣溫升高而液壓系統(tǒng)壓力增加時,連接螺栓所受的拉力也在不斷加大,當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力還沒有升到液壓缸安全閥設(shè)定的壓力值時,出現(xiàn)連接螺栓斷裂現(xiàn)象(此時連接螺栓與螺母連接的螺紋拉力大于螺栓本身拉力)或出現(xiàn)螺母從螺栓上脫開現(xiàn)象(此時連接螺栓與螺母連接的螺紋拉力小于螺栓本身拉力),最后造成液壓缸支鉸座與機(jī)架脫離開,支鉸座中軸承從支鉸座中脫離出來,液壓缸向一邊傾斜,導(dǎo)致液壓啟閉機(jī)故障.另外,不同地區(qū)氣候偏差較大,所以安全閥壓力設(shè)定也要因地制宜.

同樣依據(jù)上述原理,河南省某水庫輸水洞液壓啟閉機(jī)產(chǎn)生活塞桿彎曲故障的原因,分析如下:發(fā)生故障時液壓啟閉機(jī)的狀態(tài)是活塞桿伸出,閘門處于完全關(guān)閉狀態(tài).根據(jù)液壓油的溫度特性,此時液壓缸無桿腔中的液壓油體積處于最小狀態(tài),隨著時間的推移和氣溫不斷提高,液壓缸無桿腔中的液壓油體積逐步增加,液壓油體積的增加直接導(dǎo)致液壓油給活塞桿一個向下的力,根據(jù)作用力和反作用力的原理,液壓油同時傳遞到液壓缸缸體上一個向上的力,而液壓缸缸體受到的向上力會傳遞到機(jī)架、連接螺栓、埋件和基礎(chǔ)上.而無桿腔中的液壓油壓力逐步增大,理論上講,液壓油壓力的增加會打開液壓缸的無桿腔安全閥,從而保護(hù)液壓缸不會受到損壞.但事實上是液壓缸上下腔通往安全閥油路上的兩個截止閥處于關(guān)閉狀態(tài),導(dǎo)致液壓缸無桿腔的壓力傳不到安全閥上,安全閥無法打開,隨著液壓缸無桿腔的壓力逐步增加,液壓油傳到活塞桿的壓力也隨著逐步增加,最終導(dǎo)致液壓缸活塞桿出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象.

4 建議

根據(jù)以上兩個工程液壓啟閉機(jī)故障的具體分析,可知溫度變化是引起故障的誘因,故障出現(xiàn)的真實原因是安裝制造質(zhì)量和運行操作失誤.根據(jù)故障分析的結(jié)果提出建議如下:

1)液壓啟閉機(jī)制造安裝單位在制造安裝過程中,一定嚴(yán)格按照制造安裝圖紙和相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求進(jìn)行制造安裝,對液壓啟閉機(jī)的各項技術(shù)參數(shù)進(jìn)行和各種外購件和標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行檢查,保證液壓啟閉機(jī)制造安裝所使用的各種零部件符合制造安裝圖紙和標(biāo)準(zhǔn)要求,并對液壓啟閉機(jī)整機(jī)進(jìn)行出廠檢測和安裝檢測.

2)管理運行單位要按照液壓啟閉機(jī)的使用說明書進(jìn)行操作和管理,編制運行操作規(guī)程,對相關(guān)的運行管理人員進(jìn)行培訓(xùn).且運行管理單位不要隨意改變液壓啟閉機(jī)的操作方法,如需改變應(yīng)征求液壓啟閉機(jī)設(shè)計單位和生產(chǎn)廠家的意見或有關(guān)專家的意見,避免設(shè)備出現(xiàn)不必要的故障和問題,保證水庫安全生產(chǎn)設(shè)備的正常運行.

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TV734 < class="emphasis_bold">[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

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2017-05-31