集成式液壓缸在水壓機設備的應用

馮 瑤，于 賓，李忠凱，翁 文，倪舒亞，楊艷濱

（南京巨龍鋼管有限公司，江蘇 南京 210061）

鋼管水壓試驗機（簡稱水壓機）是廣泛應用于鋼管行業(yè)的大型自動化檢測設備，靜水壓試驗的目的是檢測鋼管管體密封性、檢驗鋼管焊接質量、消除鋼管殘余應力[1-7]。3000 t 水壓機作為南京巨龍鋼管有限公司檢驗螺旋縫埋弧焊管質量的關鍵設備之一，可根據API Spec 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》、GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》等鋼管制造標準的要求進行鋼管靜水壓試驗，達到暴露鋼管隱性缺陷、釋放全管體殘余應力的目的[8-14]。

3000 t 水壓機結構如圖1 所示，主要由以下四個部分組成：固定機架、拉力梁框架、托輥裝置和移動機架。

圖1 3000 t 水壓機結構示意

螺旋縫埋弧焊管靜水壓試驗過程可概括為充水、加壓、穩(wěn)壓、泄壓四個步驟。待鋼管注滿水后采用增壓系統(tǒng)向鋼管內加注高壓水，使鋼管內部水壓值達到規(guī)定試驗壓力值，隨后進入穩(wěn)壓階段，穩(wěn)壓階段一般會維持10～15 s，穩(wěn)壓結束后水壓機控制系統(tǒng)便會自動進行泄壓操作。上述過程均需要圖1 所示水壓機移動機架牢固鎖定，否則無法實現水壓機密封盤對鋼管管端的可靠密封。因此，水壓機移動機架鎖定機構的使用狀態(tài)直接影響著鋼管水壓試驗的完成效果。

1 水壓機移動機架鎖定機構工作原理

水壓機移動機架是通過插銷裝置實現鎖定定位的，如圖2 所示，該裝置安裝于移動機架的背面（裝有密封盤的一側為移動機架正面），背面結構如圖3 所示。

圖2 水壓機移動機架插銷裝置示意

圖3 水壓機移動機架背面結構示意

由圖3 可以看出，移動機架在如圖1 所示的機架驅動油缸作用下，移動至適合水壓試驗管長位置后（如孔5 位置），位于移動機架背面的上下兩套插銷裝置動作，使上下兩套插銷裝置中的4 個銷軸分別插入上下拉力梁框架對應插銷孔中（孔5），移動機架可靠固定于拉力梁框架上，即借助拉力梁框架實現移動機架的鎖定定位，同時通過安裝于移動機架上的主平衡油缸來補償800 mm 左右的管長差異，待該類管長規(guī)格鋼管水壓試驗結束后，4 個銷軸分別從拉力梁插銷孔（孔5）中拔出，繼續(xù)發(fā)揮移動機架的移動功能，為適應其他規(guī)格水壓試驗管長做準備。這里值得注意的是：為了使直徑為190 mm 的銷軸能夠在水壓機框架結構上的插銷孔順暢完成插拔動作，位于水壓機框架結構上的插銷孔采用的是直徑為200 mm 和直徑為190 mm 的圓孔結合體，插銷裝置需要插拔時，銷軸從大孔側插入或拔出，移動機架頂住鋼管端面試壓時，銷軸移至小孔側，在打壓過程中4 個銷軸需承受鋼管水壓試驗過程產生的作用于移動機架上的水平力。

2 水壓機移動機架鎖定機構的運行問題

截至目前，南京巨龍鋼管有限公司水壓機移動機架鎖定機構已服役10 余年，自2021 年初開始，該部位在運行過程中極易發(fā)生卡滯現象，嚴重影響水壓機過管效率，據統(tǒng)計2021 年水壓機總故障時間為1986 min，其中移動機架鎖定機構故障時間為1205 min，占水壓機總故障時間的60.7%，因此消除移動機架鎖定機構故障是有效降低水壓機故障率的關鍵。

經分析，導致水壓機移動機架鎖定機構卡滯故障頻發(fā)的主要原因如下：

（1） 構成移動機架鎖定機構的核心部件——插銷裝置在長期使用中已出現較大磨損量（圖2 所示銷軸與導向座間的磨損以及推桿與油缸連接件間的磨損）；

（2） 上述磨損量的出現使插銷裝置運行平穩(wěn)性變差，難以保證驅動油缸的驅動軌跡與銷軸運行軌跡始終平行，從而使油缸桿受到偏離運行軌跡方向上的非正常外力，該外力直接造成插銷動作不暢，甚至發(fā)生卡滯；

（3） 另外，發(fā)生卡滯時，維修人員往往采用提高液壓驅動系統(tǒng)的工作壓力進行解決，但較高的工作壓力又會導致圖2 所示插銷裝置中驅動油缸的油缸桿（直徑為45 mm）發(fā)生變形，變形的油缸桿又會引發(fā)油缸密封件損壞，導致系統(tǒng)內泄，液壓驅動系統(tǒng)無法正常建立工作壓力，此時出現的移動機架鎖定機構卡滯故障僅能通過更換油缸密封件、重新建立系統(tǒng)壓力予以消除，但僅僅依靠更換油缸密封件是無法從根本上消除卡滯故障的，只能短時間恢復水壓機移動機架的鎖定定位功能。

3 水壓機移動機架鎖定機構改進方案

3.1 機械結構方面的改進

通過分析故障原因可知，導致水壓機移動機架鎖定機構卡滯故障頻發(fā)的根本原因在于該部位機械結構的磨損量已累積超過允許磨損量，經測繪圖2所示驅動油缸與推桿間的銷軸連接處，其最大磨損量為5.2 mm，超出允許磨損量3.2 mm，導致驅動油缸的推力無法通過推桿水平傳遞至銷軸，最終使銷軸在導向座中頻頻發(fā)生卡滯。因此減少或者消除磨損量是有效解決該部位卡滯故障的關鍵，但倘若只是選擇對該部位機械結構進行重新加工制作與裝配，并不能有效提升水壓機移動機架鎖定機構的使用壽命，僅是簡單的以新換舊，不久后還會面臨相同的故障問題，沒有任何技術性能方面的提升。拋開“以新換舊”這種簡單的維修模式，要想減少或者消除磨損量，可以通過省去產生磨損的環(huán)節(jié)實現，于是根據水壓機移動機架鎖定機構的工作原理及原插銷裝置支架7（圖2 所示）的結構設計了圖4 所示的集成式液壓缸裝置。該集成式液壓缸裝置與移動機架的連接方式與原插銷裝置與移動機架的連接方式相同，通過圖4 所示的油缸連接支架3 與移動機架實現連接，油缸支架3 的連接尺寸與原插銷裝置中的支架7（圖2 所示）完全一致。該集成式液壓缸裝置除具備圖2 所示插銷裝置中兩個驅動油缸和的功能外，還簡化了原插銷裝置的結構。集成式液壓缸裝置與移動機架背面連接結構如圖5 所示。

圖4 集成式液壓缸裝置

圖5 集成式液壓缸裝置與移動機架背面連接結構示意

改進后的機械結構，在實現水壓機移動機架鎖定定位功能方面具備以下優(yōu)點：

（1） 在圖2 所示銷軸與導向座保留不變的前提下，采用集成式液壓缸裝置取代原插銷裝置后，原插銷裝置后中的推桿機構被簡化，即圖2 所示推桿及其相關連接件被省去，消除了該處產生磨損量的可能性，使易產生磨損量的部位由原來的2 個減少為1 個；

（2） 采用集成式液壓缸裝置取代原插銷裝置后，驅動油缸的油缸桿與銷軸之間實現了直連（由于水壓試驗過程銷軸受力不會傳遞到集成式液壓缸裝置的活塞桿上，所以銷軸與活塞桿采用了最簡單的剛性連接結構），銷軸所受驅動力的方向基本與導向座所導方向共線，受力方向與運動方向難以產生夾角，自然消除了銷軸因受其他方向外力而造成的卡滯現象。而在原插銷結構中油缸桿通過推桿與銷軸連接，一旦推桿機構出現磨損晃動，銷軸極易在其他方向的外力下發(fā)生卡滯。因此，改進后的水壓機移動機架鎖定結構更加簡化，動作更加平穩(wěn)，故障率自然得到了有效控制。

3.2 相關液壓控制系統(tǒng)方面的改進

水壓機移動機架鎖定機構液壓控制系統(tǒng)原理如圖6 所示。

圖6 水壓機移動機架鎖定機構液壓控制系統(tǒng)原理

由圖6（a）可知，原水壓機移動機架鎖定機構中的4 個插銷油缸由同一個電磁換向閥6 控制。該控制方式的缺點是：當4 個插銷油缸中的任意一個發(fā)生內泄，會導致整個液壓系統(tǒng)無法正常建立壓力，其余3 個插銷油缸也會因此無法正常動作。該控制方式也不利于快速、準確地找到發(fā)生內泄的油缸。

為實現發(fā)生油缸內泄故障時能夠快速、準確找出內泄油缸，在改進移動機架鎖定機構機械結構的同時，對相應的液壓控制系統(tǒng)也進行了適當優(yōu)化，即在原來的基礎上增加一組電磁換向閥組，分別對上下兩個集成式液壓缸裝置進行控制，但在實際操作中，這兩組電磁換向閥仍靠原來的操作按鈕控制通電與斷電，優(yōu)化后的液壓控制系統(tǒng)原理如圖6（b）所示。由圖6（b）可知，上下兩個集成式液壓缸裝置分別靠兩個電磁換向閥控制后，當其中一個集成式液壓缸裝置發(fā)生內泄，就可以根據動作執(zhí)行情況迅速找出內泄油缸，可大大縮短故障判斷時間。

4 結 語

改進后的水壓機移動機架鎖定系統(tǒng)，使用效果突出，成功解決了生產中的實際問題，實現了全年鋼管靜水壓試驗過程環(huán)節(jié)零故障，有效提升了水壓機全年運轉效率，與此同時也大大降低了維修人員的檢維修作業(yè)強度與水壓機設備的全年維修成本。