某高線軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障分析

宋端陽， 吳 杰

（1.首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司軋鋼廠， 山西 長(zhǎng)治 046031；2.首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司設(shè)備處， 山西 長(zhǎng)治 046031）

根據(jù)《首鋼2019 年職業(yè)技能競(jìng)賽工作安排》，首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)鋼）軋鋼廠負(fù)責(zé)承辦金屬軋制工（線材）職業(yè)技能競(jìng)賽工作，為確保本次技能競(jìng)賽工作圓滿完成，首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司軋鋼廠制定了相應(yīng)的工作方案。其中軋機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速約92～115 r/min，線速度約0.8～1.0 m/s 的功能實(shí)現(xiàn)是本次競(jìng)賽工作的首要關(guān)鍵任務(wù)，為此軋鋼廠自主設(shè)計(jì)了軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)精軋機(jī)（線材）實(shí)現(xiàn)軋機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速的要求。

1 故障現(xiàn)象

軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體組裝完畢后，在首鋼長(zhǎng)治鋼鐵有限公司軋鋼廠一車間精軋機(jī)上進(jìn)行空載試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)液壓噴油故障，經(jīng)檢查為馬達(dá)軸封損壞造成的液壓油泄漏。出現(xiàn)故障的馬達(dá)為某進(jìn)口品牌馬達(dá)，空載試驗(yàn)不足5 min，遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命，且馬達(dá)的工作壓力遠(yuǎn)低于最高許用壓力。因此初步確定馬達(dá)軸封的突然損壞為液壓系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)不合理造成的。圖1 為軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)工作原理

軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓工作原理如圖2 所示，動(dòng)力源及控制閥組使用的軋機(jī)保護(hù)罩液壓系統(tǒng)。馬達(dá)選用軋鋼廠現(xiàn)有庫存?zhèn)浼?，有進(jìn)、出油口，無泄油口。馬達(dá)管路通過螺紋連接三通接頭、高壓球閥、高壓軟管等，快速搭建起了軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖2 軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

3 原因分析及解決措施

3.1 馬達(dá)液壓控制原理檢查及解決措施

對(duì)于無泄油口的馬達(dá)其回油口附近有壓力要求，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)應(yīng)采用進(jìn)油節(jié)流。查該液壓馬達(dá)樣本手冊(cè)要求回油最大壓力不高于0.8 MPa，從液壓原理圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)的回油在管路中流經(jīng)節(jié)流閥、單向閥、換向閥，局部阻力大。同時(shí)馬達(dá)轉(zhuǎn)速（流量）控制采用回油節(jié)流，使馬達(dá)回油管路產(chǎn)生背壓，液壓控制原理存在嚴(yán)重錯(cuò)誤，需對(duì)馬達(dá)液壓控制原理（即精軋機(jī)保護(hù)罩液壓控制原理）進(jìn)行改進(jìn)變更。

軋機(jī)保護(hù)罩液壓控制原理如下頁圖3 所示，從控制原理圖中可以看出，保護(hù)罩液壓缸的保壓定位依靠閥2（疊加單向閥）進(jìn)行控制，運(yùn)行速度依靠閥3（疊加回油單向節(jié)流閥）進(jìn)行控制，閥5 對(duì)保護(hù)罩液壓缸有桿腔壓力進(jìn)行過壓保護(hù)。

圖3 中閥4 為某品牌的FD 閥，有流量限制和保壓定位作用，在B 通道與閥2 保壓定位功能重疊。FD 閥主要用來防止負(fù)載荷引起的液壓缸或馬達(dá)“失控”，也可作為防破裂閥。在保護(hù)罩液壓系統(tǒng)中，將該閥安裝在A 通道（液壓缸的無桿腔）上更加合理，同時(shí)可以取消閥2。保護(hù)罩液壓系統(tǒng)的液壓泵采用某品牌的CY 系列斜盤式軸向柱塞泵，變量控制方式采用S（手動(dòng)流量調(diào)節(jié)）方式，通過調(diào)節(jié)柱塞泵斜盤角度，可以在保護(hù)罩液壓缸與液壓馬達(dá)之間選取一個(gè)合理的運(yùn)行速度，從而省去液壓控制系統(tǒng)中的閥3。改進(jìn)后的保護(hù)罩液壓控制原理圖如圖4 所示。

圖3 精軋機(jī)保護(hù)罩液壓控制原理

圖4 改進(jìn)后的軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓工作原理圖

3.2 回油管路壓力計(jì)算及解決措施

由于使用的馬達(dá)沒有泄油口，改進(jìn)后的軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須對(duì)馬達(dá)回油管路壓力進(jìn)行計(jì)算。

3.2.1 回油管路壓力計(jì)算

3.2.1.1 流速計(jì)算

本系統(tǒng)中，馬達(dá)的排量為400 mL/r，回油管使用的是DN12 mm 高壓軟管，則馬達(dá)回油管的通流面積：

通過回油管的液壓油流速（按方案要求的轉(zhuǎn)速最大值進(jìn)行計(jì)算）：

從計(jì)算數(shù)據(jù)可知，馬達(dá)工作時(shí)回油管內(nèi)的流速非常高。油液在管路中的適宜速度，最大為3 m/s[1]，而該系統(tǒng)的回油管液壓油流速遠(yuǎn)大于此數(shù)值。使得馬達(dá)的工作環(huán)境相當(dāng)惡劣。

3.2.1.2 壓力計(jì)算

1）管路壓力損失。

由液壓系統(tǒng)的回油流速可看出本系統(tǒng)為高流速系統(tǒng)，液壓油在管路內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。紊流狀態(tài)下管路壓力損失表現(xiàn)為沿程壓力損失和局部壓力損失之和，即：

式中：ΔP1為回油管路壓力損失，Pa；ΔPf為沿程壓力損失，Pa；ΔPr為局部壓力損失，Pa；λ 為摩阻系數(shù)；ρ為液壓油密度，kg/m3；l為流經(jīng)管道長(zhǎng)度，m；d為管道內(nèi)徑，m；ν 為流體流速，m/s；ξ 為局部阻力系數(shù)。

該段油管的長(zhǎng)度為20 m，摩阻系數(shù)為0.031，局部阻力系數(shù)取為1.5，液壓油密度為850 kg/m3，速度取6.79 m/s。

則回油管路上的壓力損失根據(jù)公式（1）可得：2）閥的壓力損失。

由設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可得流經(jīng)控制閥組的液壓油流量為46 L/min。從產(chǎn)品手冊(cè)上可查知，在此流量下的壓降ΔP2約為0.3 MPa。

則回油路上的壓力總損失：

即馬達(dá)的回油壓力為1.4 MPa，這對(duì)馬達(dá)來說是相當(dāng)危險(xiǎn)的。

3.2.2 解決措施

針對(duì)馬達(dá)回油管路壓力高的情況，可以 采用以下措施進(jìn)行解決。

1）增大回油管徑，合理布置管路。

2）將馬達(dá)的回油管直接接回油箱，減小回油阻力。

3）競(jìng)賽方案要求的軋機(jī)軋輥轉(zhuǎn)速92～115 r/min，盡量取小值。

軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)采用拆裝方便的設(shè)計(jì)理念，馬達(dá)回油管直接接油箱需采取切割、焊接作業(yè)，所以我們按方案1 進(jìn)行了改動(dòng)，依據(jù)現(xiàn)有庫存將馬達(dá)回油管由DN12 mm 改為DN25 mm。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整柱塞泵的斜盤角度，經(jīng)多次試驗(yàn)，最終長(zhǎng)鋼將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速調(diào)整在約100 r/min。

4 結(jié)語

采取上述措施后，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。馬達(dá)在空載和帶載（鉛棒軋制）工況下均能運(yùn)轉(zhuǎn)正常，沒有出現(xiàn)軸封損壞的情況，并且隨后的運(yùn)行中也未有漏油現(xiàn)象的出現(xiàn)。通過合理變更液壓控制原理，正確的管路分析計(jì)算和合理得當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施，保證了軋機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為首鋼集團(tuán)公司在首鋼長(zhǎng)鋼公司軋鋼（線材）比賽的圓滿順利做好基礎(chǔ)保證。