液壓油溫升造成的液壓故障分析與改進(jìn)

武寶喜，孫雁利，王 偉，李 恒

（安鋼集團(tuán)冷軋有限責(zé)任公司 設(shè)備管理部，河南 安陽455000）

安陽鋼鐵集團(tuán)1 550 mm冷連軋機(jī)組的核心設(shè)備VCMS型五機(jī)架六輥連軋機(jī)，采用全封閉結(jié)構(gòu)生產(chǎn).軋機(jī)在軋制過程中，會產(chǎn)生大量的軋制熱，為給鋼板冷卻，配置乳化液系統(tǒng)，乳化液的供液溫度為48℃～50℃，噴射到鋼板表面后，回液溫度約達(dá)到80℃.由于軋制中，軋機(jī)各機(jī)架間由卷簾門封閉，乳化液霧氣排放不及，造成此處環(huán)境溫度居高不下，對軋機(jī)區(qū)域的設(shè)備產(chǎn)生加熱效果，軋制液的溫度變化反應(yīng)了軋機(jī)內(nèi)設(shè)備的溫度變化.

1 液壓油的膨脹性和可壓縮性

作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，液壓油用來傳遞動(dòng)力，同時(shí)具備膨脹性和可壓縮性.

膨脹性意味著當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，液壓油膨脹后體積增大.由溫度引起的液壓油的體積變化為：

壓縮性則意味著液壓油在壓力的作用下縮小體積.液體的壓縮性可用體積壓縮系數(shù)K［1］表示：

式(1)、式(2)中:

V——溫度會變化的部分工作介質(zhì)的體積,L；

V0——總的封閉容器的容積,L；

ΔV——溫度升高時(shí)液體的體積變化量，L；

Δt——由設(shè)備溫度變化，℃；

α——液體膨脹系數(shù),對于一般石油型液壓油，α=（8.5-9.0）×10-4,℃-1；

β——液體的體積彈性模量，β=（1.2～2.0）×103,實(shí)際使用的液體由于混入氣泡等原因β值顯著減小，MPa；

ΔP——封閉空間液壓壓力升高值，MPa.

式（2）中，負(fù)號表示壓力增大，體積減小，K為正值.

即在一個(gè)封閉的空間，有部分的液壓油溫度升高，這部分液壓油體積膨脹，從而導(dǎo)致整個(gè)封閉區(qū)域的壓力提高.根據(jù)式（1）和式（2）推導(dǎo)出，封閉空間下，部分液體溫度升高造成的壓力升高值為：

負(fù)號在此處表示液壓油膨脹力的方向?yàn)橄蛲?

由式（3）可以看出，在密閉空間的介質(zhì)，其壓力的增高與介質(zhì)的彈性模量、體積膨脹系數(shù)和溫度的變化有關(guān)，也和膨脹的介質(zhì)在整個(gè)密閉空間的比例有關(guān).

2 現(xiàn)象

1 550 mm冷軋機(jī)組軋機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)液壓站位于軋機(jī)操作側(cè)地下室，為整個(gè)軋機(jī)區(qū)非伺服系統(tǒng)外的液壓設(shè)備提供動(dòng)力源.系統(tǒng)壓力16 MPa，介質(zhì)為46#抗磨液壓油.其中，五機(jī)架低壓閥臺位于軋機(jī)正下方并順序擺放，所供執(zhí)行機(jī)構(gòu)有：機(jī)架間的導(dǎo)板擺動(dòng)液壓缸，擋輥升降液壓缸，防纏擋板伸縮液壓缸，工作輥、支承輥鎖緊液壓缸，工作輥、中間輥軌道升降液壓缸，帶鋼壓緊液壓缸，工作輥、支承輥換輥小車推拉液壓缸等.

在試生產(chǎn)過程中，一些回路的壓力異常升高，超過了泵站供油壓力.其中最明顯的是中間輥鎖緊液壓缸升高到19 MPa，工作輥軌道液壓缸最高升高到23 MPa.另外，支承輥換輥缸存在緩慢爬行現(xiàn)象.

后經(jīng)連續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，軋機(jī)啟動(dòng)前，各回路顯示的壓力與系統(tǒng)壓力相同，是16 MPa，但是隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，個(gè)別回路壓力會不同幅度的持續(xù)升高，當(dāng)連續(xù)生產(chǎn)2 h后達(dá)到最高值，然后穩(wěn)定在最高值，且這些回路都帶有雙向液壓鎖，升高的壓力被封閉在液壓鎖和液壓缸之間的管路里，不卸不降.

壓力超限過載對整個(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性、元器件使用壽命、及液壓油的使用狀態(tài)和壽命都有影響，特別是所服務(wù)液壓缸的靈敏度和響應(yīng)速度的滯后，在連續(xù)生產(chǎn)的自動(dòng)控制中，會直接導(dǎo)致停車事故.

3 原因分析

以中間輥鎖緊缸為例：換向閥1.a得電，壓力油從P口到B口，經(jīng)過液壓鎖，節(jié)流閥，進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓缸伸出；有桿腔油液從節(jié)流閥，液壓鎖，換向閥A口，回到T口；可視壓力傳感器檢測液壓缸無桿腔壓力；液壓站系統(tǒng)壓力（P口壓力）為16 MPa.該回路中液壓鎖的作用為：當(dāng)液壓缸伸出鎖緊中間輥時(shí)，封閉無桿腔壓力油容腔，防止液壓油回流，鎖死液壓缸的位置.此時(shí)，從閥臺出口油管至液壓缸無桿腔的容積相當(dāng)于一個(gè)封閉的容積空間.中間輥鎖緊缸液壓回路原理如圖1所示.

圖1 中間輥鎖緊液壓缸原理

隨著軋制的進(jìn)行，封閉容積內(nèi)的液壓油壓力會持續(xù)緩慢的上升，最終保持在19 MPa，比系統(tǒng)壓力高3 MPa.由于在軋制過程中，中間輥鎖緊液壓缸動(dòng)作到位后不會再動(dòng)作，此處壓力的升高需考慮溫度對液壓油的影響.

根據(jù)乳化液系統(tǒng)進(jìn)回液溫度的變化可以推斷，機(jī)架間設(shè)備最終維持溫度在80℃，溫升約為30℃.中間輥鎖緊液壓缸規(guī)格為φ80/φ56×60 mm，液壓管道為 φ16×2.5 mm（通徑 φ11 mm），長度約 25 000 mm，代入計(jì)算：

液壓缸容積V=π(d/2)2h=301 440 mm3；

總封閉腔容積V0=缸容積+管路容積=2 676 065 mm3；

根據(jù)安裝位置看，只有液壓缸內(nèi)部的油液被加熱.于是V/V0=301 440/2 676 065=0.113；

根據(jù)式（3）計(jì)算鎖緊液壓缸壓力升高值，α=8.7×10-4℃-1，△P=α×

故，經(jīng)過高溫加熱，液壓缸無桿腔壓力的理論計(jì)算值PB=19.45 MPa.同實(shí)際可視壓力傳感器檢測的19 MPa基本一致.

同理，可以計(jì)算出工作輥軌道液壓缸的壓力升高值為7.3 MPa，同現(xiàn)場觀測的基本一致.

故在設(shè)置液壓鎖進(jìn)行位置鎖定的液壓回路中，如存在管路較長，鎖定容積內(nèi)局部油液溫度變化較大的情況，應(yīng)考慮油液溫度的動(dòng)態(tài)特性對整個(gè)回路壓力的影響.

4 解決方案

由于發(fā)生此類壓力升高故障的幾處液壓鎖緊機(jī)構(gòu)，在軋機(jī)生產(chǎn)過程中，除了軋機(jī)震動(dòng)外不受任何其他力的作用，而且液壓缸全部都是水平安裝方式，綜合當(dāng)時(shí)現(xiàn)場調(diào)試的條件，采取的臨時(shí)改造方案是將雙向液壓鎖一腔的閥芯掏出，使圖1中液壓鎖右側(cè)單向閥失效，不能保壓.并更改電磁閥的得電模式，在生產(chǎn)過程中，電磁鐵1.a始終保持得電，回路持續(xù)為液壓缸無桿腔供壓力油，保證鎖緊缸的缸桿不會因?yàn)檐垯C(jī)震動(dòng)而縮回.液壓鎖取消，封閉容腔無法形成，局部溫升引起液體膨脹對回路壓力的影響就不存在了，最終壓力升高的問題得到解決.

在對此事故跟蹤、論證、處理中，對此類設(shè)置液壓鎖的保壓回路受到溫度影響，出現(xiàn)的異常壓力升高故障，總結(jié)出以下幾種優(yōu)化改造方案：

（1）取消原來的雙向液壓鎖，改為單向液控單向閥，如工作輥軌道升降系統(tǒng)，在軋機(jī)工作時(shí)軌道靠自重就能處于安全位置，完全不需要單向閥保持位置，去掉后，壓力自然就不再升高.

（2）在液壓鎖后增加安全閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過安全壓力時(shí)，自動(dòng)卸荷，解決溫度升高造成的液壓缸壓力升高問題.

（3）減小液壓缸容積在密閉容積中的比重，即增大中間配管管徑和長度，并使中間配管散熱良好.

（4）在某些確定負(fù)載壓力的液壓鎖回路中，可以在單向閥后增加減壓閥，降低壓力過載對系統(tǒng)元器件的影響.

最終改造方案：結(jié)合現(xiàn)場閥臺的安裝位置、作業(yè)空間以及回路要實(shí)現(xiàn)的設(shè)備功能，采用優(yōu)化方案2，在液壓鎖后增加疊加式溢流閥作為安全閥，既保留了回路的保壓功能，又避免了壓力升高事故，徹底改良了軋機(jī)區(qū)保壓回路的工作原理，改造后，應(yīng)用效果良好.如圖2所示.

5 結(jié)語

綜上所述，在帶有液壓鎖的液壓回路中，必須要結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際工況，核算環(huán)境溫度的動(dòng)態(tài)特性對系統(tǒng)壓力的影響，并根據(jù)回路需要實(shí)現(xiàn)的功能，在回路設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇相對應(yīng)的措施，配置合適的元器件.避免發(fā)生液體受高溫膨脹后產(chǎn)生的壓力變化，影響系統(tǒng)運(yùn)行.

圖2 改造后的液壓缸原理