變工況下液壓油缸抖動(dòng)的原因分析及試驗(yàn)

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（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

電液執(zhí)行器主要承擔(dān)汽輪機(jī)蒸汽閥門(mén)的控制任務(wù)，包括閥門(mén)的開(kāi)度控制和定位控制，以保障汽輪機(jī)的性能穩(wěn)定和安全可靠運(yùn)行。液壓油缸作為電液執(zhí)行器的執(zhí)行部件直接與蒸汽閥門(mén)連接，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)方向、位置、速度及力的控制。蒸汽閥門(mén)的閥口開(kāi)度通過(guò)液壓油缸活塞桿的移動(dòng)位置來(lái)控制，見(jiàn)圖1[1]。

圖1 執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

上位機(jī)發(fā)出指定的閥門(mén)開(kāi)度信號(hào)，液壓油缸的活塞桿按照指定的信號(hào)移動(dòng)至相應(yīng)位置，此時(shí)蒸汽閥門(mén)的閥門(mén)開(kāi)度保持不動(dòng)，從而保證了汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。某電液執(zhí)行器在進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)過(guò)程中，液壓油缸工作一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出指令信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)液壓油缸的活塞桿到達(dá)指定位置時(shí)不能夠迅速穩(wěn)定并帶有一段時(shí)間抖動(dòng)后才可穩(wěn)定。這將會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)蒸汽閥門(mén)的進(jìn)汽量受到影響，從而影響了汽輪機(jī)的正常工作。因此，找到液壓油缸活塞桿抖動(dòng)的原因并制定解決方案將變得十分迫切[2]。

1 油缸抖動(dòng)的原因分析

1.1 電液執(zhí)行器的工作原理

電液執(zhí)行器是一種能按照電輸入信號(hào)的指令，以直驅(qū)容積控制技術(shù)驅(qū)動(dòng)液壓油缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方向、位置、速度及力控制的高度集成化裝置。電液執(zhí)行器包括2個(gè)主要部分：執(zhí)行器部分和控制箱部分。執(zhí)行器裝在驅(qū)動(dòng)裝置上，控制箱就地或遠(yuǎn)程安裝。連接它們的是模塊電纜和反饋電纜。

執(zhí)行器部分由動(dòng)力頭模塊和液壓油缸模塊組成。連續(xù)工作的電機(jī)和泵驅(qū)動(dòng)液壓油經(jīng)過(guò)相應(yīng)閥組進(jìn)入雙作用液壓油缸的一腔，驅(qū)動(dòng)液壓油缸動(dòng)作。油缸上帶有位置傳感器，活塞桿到達(dá)指定位置時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，相關(guān)閥組閉鎖液壓油缸位置。電機(jī)泵組換向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，液壓油缸反向運(yùn)動(dòng)。

控制箱部分主要是接收指令和位置反饋信號(hào)，運(yùn)算后輸出控制指令，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)。伺服控制器接收外部PLC的4 mA～20 mA指令信號(hào)，與采集的執(zhí)行器位置傳感器信號(hào)進(jìn)行偏差運(yùn)算，輸出伺服信號(hào)至伺服驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制。工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 電液執(zhí)行器的工作原理

1.2 液壓油缸抖動(dòng)的問(wèn)題分析

在電液執(zhí)行器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，上位機(jī)發(fā)送指令后，發(fā)現(xiàn)液壓油缸到達(dá)指定位置時(shí)不能夠迅速穩(wěn)定并帶有一段時(shí)間抖動(dòng)后才可穩(wěn)定。從電液執(zhí)行器的整體系統(tǒng)的角度來(lái)講，引起液壓油缸活塞桿抖動(dòng)的原因可能為控制器參數(shù)設(shè)置影響、控制器輸入信號(hào)波動(dòng)或控制器硬件問(wèn)題、動(dòng)力頭組件內(nèi)部控制閥的波動(dòng)、液壓油缸組件中的某一個(gè)因素或多個(gè)因素共同作用。因此首先考慮應(yīng)將電液執(zhí)行器的組成部分進(jìn)行獨(dú)立拆分，將性能正常的電液執(zhí)行器的各獨(dú)立單元（獨(dú)立單元：控制箱、動(dòng)力頭模塊、液壓油缸）依次與可能發(fā)生故障的獨(dú)立單元進(jìn)行對(duì)調(diào)并重新運(yùn)行性能完好的電液執(zhí)行器，通過(guò)觀察排查出引起液壓油缸活塞桿抖動(dòng)的獨(dú)立單元。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1 ） 將 控 制 器PID （ Proportion Integral Differential）參數(shù)進(jìn)行更改，觀察液壓油缸活塞桿抖動(dòng)現(xiàn)象是否有明顯改善。

2）將故障電液執(zhí)行器的控制箱與性能正常的電液執(zhí)行器的控制箱對(duì)調(diào)，重新運(yùn)行性能正常的電液執(zhí)行器并觀察其油缸活塞桿是否抖動(dòng)。

3）將故障電液執(zhí)行器的動(dòng)力頭模塊與性能正常的電液執(zhí)行器的動(dòng)力頭模塊對(duì)調(diào)，重新運(yùn)行性能正常的電液執(zhí)行器并觀察其油缸活塞桿是否抖動(dòng)。

4）將故障電液執(zhí)行器的液壓油缸與性能正常的電液執(zhí)行器的液壓油缸對(duì)調(diào)，重新運(yùn)行性能正常的電液執(zhí)行器并觀察其油缸活塞桿是否抖動(dòng)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

控制器的初始P值為65，運(yùn)行電液執(zhí)行器并將P值分別改為60、55、50，液壓油缸活塞桿的抖動(dòng)現(xiàn)象逐漸改善；直至P值改為45時(shí)，液壓油缸活塞桿的抖動(dòng)現(xiàn)象徹底消失。通過(guò)更改控制器的P值本質(zhì)上是延長(zhǎng)了油缸達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的響應(yīng)時(shí)間，與此同時(shí)卻犧牲了電液執(zhí)行器的響應(yīng)速度。對(duì)P=45時(shí)的電液執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)試，得到的性能參數(shù)并不能滿(mǎn)足工況的要求，因此將要按照“試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)1”之后的方案接著進(jìn)行試驗(yàn)。

按照“試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2”進(jìn)行試驗(yàn)后得到，工作中的液壓油缸的活塞桿未發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。于是接著按照“試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3”進(jìn)行試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果是工作中的液壓油缸的活塞桿未發(fā)生抖動(dòng)現(xiàn)象。最后經(jīng)過(guò)“試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4”的試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，將故障電液執(zhí)行器的液壓油缸與性能正常的電液執(zhí)行器的液壓油缸對(duì)調(diào)并運(yùn)行性能正常的電液執(zhí)行器，對(duì)調(diào)后的液壓油缸的活塞桿依然出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。

“試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)2”～“實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)4”的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：故障電液執(zhí)行器中的控制箱和動(dòng)力頭模塊在電液執(zhí)行器工作過(guò)程中并不能引起液壓油缸活塞的抖動(dòng)，因此排除控制箱和動(dòng)力頭模塊對(duì)油缸活塞桿抖動(dòng)產(chǎn)生的影響。對(duì)調(diào)后的液壓油缸的電液執(zhí)行器在運(yùn)行時(shí)，其活塞桿依然出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象。由此可以判斷：引起油缸活塞桿抖動(dòng)的主要因素發(fā)生在油缸部分。

2.2 解決方案

首先拆解油缸的反饋裝置部分，打開(kāi)屏蔽罩，發(fā)現(xiàn)電位計(jì)安裝板上固定的3個(gè)螺釘中有2個(gè)螺釘有松動(dòng)的現(xiàn)象，見(jiàn)圖4。于是重新緊固安裝板上的螺釘并重新運(yùn)行電液執(zhí)行器后，油缸活塞桿的抖動(dòng)現(xiàn)象消失。

圖4 螺釘松脫現(xiàn)象

現(xiàn)場(chǎng)的蒸汽閥門(mén)進(jìn)汽時(shí)，蒸汽閥門(mén)的閥桿長(zhǎng)期受到高頻振動(dòng)，由于閥桿與油缸的活塞桿固連，高頻振動(dòng)通過(guò)閥桿傳至油缸活塞桿，接著通過(guò)活塞桿又傳至與其相關(guān)聯(lián)的組件，而螺釘并沒(méi)采取適當(dāng)?shù)姆浪纱胧?，所以螺釘松?dòng)。電液執(zhí)行器正常工作時(shí)，液壓油缸移動(dòng)至目標(biāo)值后，由于活塞桿與電位計(jì)固連的螺釘松動(dòng)，使得電位計(jì)采集到的油缸位置信號(hào)有波動(dòng)，此波動(dòng)又反饋給控制箱，控制箱繼續(xù)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭模塊移動(dòng)活塞桿，直至電位計(jì)停止波動(dòng)，此時(shí)油缸活塞桿停止移動(dòng)。

連接螺紋都是要滿(mǎn)足自鎖條件的，即螺紋升角小于螺紋副的當(dāng)量摩擦角，似乎可以保證擰緊后不會(huì)自動(dòng)松脫。但是賴(lài)以自鎖的是，螺紋副間保持有足夠阻止相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，這個(gè)摩擦力只有在靜載荷作用時(shí)才會(huì)保持不變，而在沖擊、振動(dòng)或變載荷下或溫度變化大時(shí)，螺紋副中的正壓力發(fā)生變化，有可能在某一瞬間消失，使摩擦力為零，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。這種現(xiàn)在多次重復(fù)，連接就會(huì)逐漸松脫，使工作失常，甚至發(fā)生事故[1]。因此，為了徹底解決螺釘松動(dòng)的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)加裝了彈性墊圈及鎖緊螺母并涂抹了螺紋緊固膠[2]，見(jiàn)圖5。

圖5 防松處理

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，依次排查控制箱、動(dòng)力頭模塊及液壓油缸，得到引起油缸活塞桿抖動(dòng)的部件是出現(xiàn)在電液執(zhí)行器的油缸部分。在拆解油缸的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，油缸活塞桿與電位計(jì)固連的安裝板上的固定螺釘發(fā)生松動(dòng)，重新緊固發(fā)生松動(dòng)的螺釘并重新運(yùn)行系統(tǒng)后，油缸活塞桿的抖動(dòng)現(xiàn)象不再發(fā)生。因此，可以判定螺釘松動(dòng)是導(dǎo)致油缸活塞桿抖動(dòng)的原因。為了避免以后此種現(xiàn)象再次發(fā)生，對(duì)固定活塞桿和電位計(jì)所使用螺釘加裝彈性墊圈和防松螺母，并涂抹螺紋緊固膠等防松措施。