電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障分析與解決*

竇 彬，柴世文

(1.中國石油蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060; 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

電液轉(zhuǎn)換器卡澀故障分析與解決*

竇 彬1，柴世文2

(1.中國石油蘭州石化分公司，甘肅 蘭州 730060; 2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730030)

大型機(jī)組靜葉調(diào)節(jié)采用的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生卡澀故障，對點液伺服閥門的構(gòu)造和動作原理進(jìn)行了描述，分析了電液轉(zhuǎn)換器的卡澀成因，并就預(yù)防提出了措施。

電液轉(zhuǎn)換器；靜葉；動力油

Abstract: The jam fault often occurs in electro-hydraulic actuator used by regulation of the large unit stator, the structure and operation principle of hydraulic servo valve are described, the jamming cause of electro-hydraulic converter is analyzed, and measures of prevention are put forward.

Key words: electro-hydraulic converter; stator blade; power steering fluid

0 引 言

大型煉油化工裝置所使用的大型風(fēng)機(jī)基本上都是軸流式壓縮機(jī)，而軸流式壓縮機(jī)對風(fēng)量的調(diào)節(jié)均為調(diào)節(jié)壓縮機(jī)內(nèi)部的靜葉角度。近年來本廠催化主風(fēng)機(jī)組靜葉調(diào)節(jié)多次發(fā)生卡澀現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生故障時，由于靜葉漂移或無法動作，導(dǎo)致裝置所需風(fēng)量無法調(diào)節(jié)，給生產(chǎn)裝置的正常運行帶來了很大的運行隱患。筆者就靜葉控制的整個過程進(jìn)行分析，對預(yù)防和解決方法提出建議。

1 靜葉控制的結(jié)構(gòu)組成及控制原理介紹

主風(fēng)機(jī)組靜葉控制由動力油系統(tǒng)、電液轉(zhuǎn)換器、靜葉驅(qū)動液動活塞三部分組成。動力油系統(tǒng)專為靜葉控制設(shè)置，是獨立于機(jī)組潤滑油系統(tǒng)的驅(qū)動供油系統(tǒng)。油站采用高壓柱塞泵為靜葉驅(qū)動提供100 kg油壓。

電液轉(zhuǎn)換器使用的是德國VOITH公司的I/H 電液轉(zhuǎn)換器。其功能是將操作室送來的4～20 mA控制信號轉(zhuǎn)換為液壓信號驅(qū)動靜葉活塞，靜葉活塞通過連接在壓縮機(jī)內(nèi)部的調(diào)節(jié)缸位移，使得軸流風(fēng)機(jī)靜葉角度發(fā)生變化以控制風(fēng)量。

在靜葉的控制過程中電液轉(zhuǎn)換器是關(guān)鍵部分，每次發(fā)生故障部位幾乎都是電液轉(zhuǎn)換器，以下就電液轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)與控制原理作詳細(xì)介紹。

電液轉(zhuǎn)換器由電磁控制部分和液壓部分組成。電磁控制部分將操作時給定的信號、回訊信號、極限值信號、反饋霍爾電壓等信號進(jìn)行計算輸出給線圈，產(chǎn)生磁力推動液壓滑塊。液壓部分主要為彈簧、滑塊構(gòu)成的錯排油回路。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電液轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

控制原理見圖2所示：操作室送來的控制信號W進(jìn)入電液轉(zhuǎn)換器電磁控制部分，電磁控制部分通過線圈產(chǎn)生FMag磁力。FMag磁力的大小與4～20 mA 的輸入信號成正比，并通過調(diào)節(jié)參數(shù)X0和X1設(shè)定輸出極限值(輸出油壓的極限上下值)。磁力FMag推動液壓滑閥的滑塊克服FF控制彈簧力，使滑塊處于一個動態(tài)的平衡位置。

圖2 電液轉(zhuǎn)換器控制原理圖

圖中:A、B二次油壓輸出端；T為回油箱接口；P為動力油源輸入端；X0、X1為行程調(diào)節(jié)電位計(最小、最大輸出壓力)；KPU、KPD 為控制增量(電位計)；w為位置給定值 (4～20 mA)；x為位置實際值 (4～20 mA)；FMag為磁力；FF為控制彈簧力；UHall為霍爾電壓；UMag為磁力FMag的參考變量；U為電壓；s為行程；i為位置傳感器電流信號。

當(dāng)磁力FMag大于控制彈簧力FF時，液壓滑塊向彈簧側(cè)移動。此時，液壓油經(jīng)P進(jìn)入滑閥經(jīng)由A進(jìn)入液壓油缸右側(cè)，同時由于滑塊的移動使得液壓滑閥的B與回油孔T相通，液壓油缸右側(cè)的壓力則被釋放，使活塞向左移動(靜葉打開方向)；與此同時，靜葉的變化角度通過安裝在對側(cè)的閥位回訊器反饋至電磁控制部分的控制輸入端與操作室的給定信號作比較。當(dāng)靜葉角度趨向給定值時，反饋值與給定值的偏差趨于0，經(jīng)運算電路輸出的FMag磁力漸漸減小直至液壓滑閥的滑塊回到中間位置，將進(jìn)油孔T和回油孔P封閉，液壓油缸內(nèi)活塞停止移動，停在操作室需要的靜葉角度。反之，靜葉關(guān)閉的過程與之相同，只是液壓油缸左側(cè)進(jìn)油，右側(cè)排油，直至反饋與給定差值為零，液壓滑閥的滑塊返回中間位置，保持靜葉到達(dá)的角度。

2 故障分析與解決[1-2]

煉廠范圍內(nèi)有5臺電液轉(zhuǎn)換器，分別是：連續(xù)重整新氫壓縮機(jī)汽輪機(jī)控制、重催富氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)控制、重催主風(fēng)機(jī)組汽輪機(jī)控制、重催主備機(jī)靜葉控制；均為德國VOITH公司同類型電液轉(zhuǎn)換器?？刂圃砘疽恢拢皇瞧啓C(jī)調(diào)速控制的電液轉(zhuǎn)換器在控制汽閥時，增加了油動機(jī)。即，電液轉(zhuǎn)換器通過油動機(jī)驅(qū)動汽輪機(jī)汽閥，油動機(jī)相當(dāng)于信號放大器，放大和加速驅(qū)動力對汽輪機(jī)汽閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

2.1 近年重催電液轉(zhuǎn)換器故障匯總

(1) 2006年6月裝置檢修后開工過程中，富氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)汽閥無法動作，儀表清洗電/液轉(zhuǎn)換器，鉗工清洗油動機(jī)；控制恢復(fù)正常(油箱內(nèi)沉積物沖起)。

(2) 2006年7月裝置搶修后，富氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)汽閥不動作，汽輪機(jī)整體拆檢清洗后恢復(fù)正常(因檢修過程中，清洗蒸汽管線的清洗液由軸承箱漏入潤滑油箱，導(dǎo)致潤滑油污染，卡澀電液轉(zhuǎn)換器)。

(3) 2006年8月四機(jī)組啟動后發(fā)現(xiàn)靜葉有飄移和卡澀現(xiàn)象，停機(jī)后對電液轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了詳細(xì)的檢查。在調(diào)試的過程中，靜葉無飄移和卡澀現(xiàn)象，機(jī)組開啟后達(dá)到高轉(zhuǎn)速時靜葉仍然有飄移及卡澀。再次停機(jī)后拆除電液轉(zhuǎn)換器，安裝手動切換閥進(jìn)行長時間切換后，恢復(fù)電液轉(zhuǎn)換器，開機(jī)正常(油品中顆粒物卡澀導(dǎo)致)。

(4) 2006年12月備機(jī)停機(jī)前發(fā)現(xiàn)靜葉有很大波動，檢查發(fā)現(xiàn)接線端子內(nèi)保險絲虛接故障(偶發(fā)性故障)。

(5) 2007年5月主風(fēng)機(jī)工藝原因裝置停工，停工過程中主機(jī)靜葉有卡澀現(xiàn)象，清洗電液轉(zhuǎn)換器，安裝手動切換閥進(jìn)行切換后，恢復(fù)電液轉(zhuǎn)換器，開機(jī)正常(顆粒物卡澀)。

(6) 2007年5月開工過程中，主風(fēng)機(jī)汽輪機(jī)汽門及速關(guān)油波動大，清洗電液轉(zhuǎn)換器、速關(guān)組合件及電磁閥，開機(jī)正常(顆粒物卡澀)。

(7) 2007年7月主風(fēng)機(jī)靜葉6分鐘內(nèi)緩慢關(guān)閉，導(dǎo)致裝置停工，停工分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)因卡澀導(dǎo)致。準(zhǔn)備開備用主風(fēng)機(jī)組時發(fā)現(xiàn)備機(jī)靜葉也發(fā)生了卡澀(顆粒物卡澀)。

2.2 導(dǎo)致電液轉(zhuǎn)換器故障的主要原因

2.2.1 動力油品質(zhì)劣化，導(dǎo)致電液轉(zhuǎn)換器卡澀

電液轉(zhuǎn)換器屬于敏感級伺服高壓液壓系統(tǒng)：液壓油品質(zhì)需符合NAS 4～6，大約相當(dāng)于ISO 13/10—15/12，允許≥5 μ顆粒數(shù)/毫升(大約80～320)、≥15μ顆粒數(shù)/毫升(大約10～40)。不論是硬的顆粒、軟的顆粒、或是纖維，都會對元件滑動表面產(chǎn)生直接阻力、磨擦阻力、堵塞動態(tài)間隙，使電液轉(zhuǎn)換器液壓滑塊組件部分或完全失去響應(yīng)(上述故障多數(shù)是此原因)。

當(dāng)活塞在運動的過程中液壓滑塊被卡澀時，由于滑塊不能返回中間位置，切斷進(jìn)油與回油，使得活塞會持續(xù)向一個方向運動，直至到達(dá)電液轉(zhuǎn)換器設(shè)定的X0或X1極限值。故障第7項尤其明顯。

根據(jù)上述故障記錄可以發(fā)現(xiàn)以下幾項會使動力油污染。

(1) 油系統(tǒng)檢修過程中帶入細(xì)微粉塵、纖維物等。

(2) 日常生產(chǎn)中300萬噸重催裝置空氣中催化劑粉塵含量較大，會經(jīng)動力油站排氣口侵入。

(3) 動力油箱長時間停用后啟用或加注新油時會將油箱底部沉淀物沖起，經(jīng)油泵帶入電液轉(zhuǎn)換器；

(4) 液壓油長時間使用，油液中的微小污染物質(zhì)的污染度(ISO4406)等級越高(在一毫升油液中，含直徑5～100 μm以上的固體顆粒中，其中>5～15 μm顆粒就占了總含量的95%以上)。

(5) 偶發(fā)因素導(dǎo)致油品污染(機(jī)封泄露、新油與舊油品質(zhì)不一等)。

2.2.2 液壓活塞泄露

液壓油與所用的密封材料應(yīng)相適應(yīng)，否則液壓油缸內(nèi)活塞環(huán)老化、斷裂，會造成密封不嚴(yán)，油缸腔體內(nèi)部泄露，根據(jù)泄露程度表現(xiàn)不同，直接現(xiàn)象就是活塞動作遲緩、無法定位，傳動裝置工作不穩(wěn)定。

2.2.3 角度回訊器工作異常

由圖2可以看到，線圈輸出FMag磁力大小與回訊關(guān)系密切。當(dāng)回訊發(fā)生故障，回訊信號始終小于給定值時，兩值的差值會使得FMag磁力輸出始終大于FF控制彈簧力，液壓油缸內(nèi)活塞會持續(xù)向左移動(靜葉持續(xù)打開)，直至到達(dá)極限值X1。而回訊信號始終大于給定值時，活塞會使靜葉向關(guān)閉方向持續(xù)動作至極限值X0。

2.2.4 電磁控制部分輸出異常

若控制轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)故障則情況更加復(fù)雜，現(xiàn)象如回訊器工作異常時表現(xiàn)一樣，或根本無響應(yīng)，靜葉不動作。經(jīng)實際發(fā)生的幾次故障來看，動力油污染造成電液轉(zhuǎn)換器滑塊卡澀所占比例較大，因此如果能夠解決動力由品質(zhì)問題，電液轉(zhuǎn)換器的故障次數(shù)將大幅度降低。

3 解決途徑

調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)一個特殊現(xiàn)象，即，5個同類型的電液轉(zhuǎn)換器在使用的過程中，靜葉控制電液轉(zhuǎn)換器發(fā)生卡澀的比例遠(yuǎn)高于汽輪機(jī)汽閥控制電液轉(zhuǎn)換器。經(jīng)過認(rèn)真查閱汽輪機(jī)、靜葉控制的相關(guān)資料并作了細(xì)致對比后發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)控制中起到間接作用的油動機(jī)在防卡澀功能上作用巨大。

油動機(jī)為了防止本身錯油門滑閥卡澀，在油動機(jī)的錯油門滑閥上部設(shè)計了轉(zhuǎn)動盤。轉(zhuǎn)動盤上有徑向、切線孔連續(xù)噴油，使錯油門滑閥產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動；而在下部設(shè)計了一個排油孔，錯油門滑閥每旋轉(zhuǎn)一次就瀉油一次，使得錯油門滑閥上下小幅度振動。正是這個設(shè)計，油動機(jī)在工作過程中錯油門滑閥不停的旋轉(zhuǎn)并且上下小幅度振動，這樣使得錯油門滑閥不易卡澀。

另一方面，由于油動機(jī)下部瀉油孔的周期性小幅度振動的反作用力作用在電液轉(zhuǎn)換器的液壓滑塊上，使電液轉(zhuǎn)換器內(nèi)的滑塊也處于一個不停振蕩的平衡中，也間接的防止了電液轉(zhuǎn)換器中滑塊的卡澀。

而控制靜葉的電液轉(zhuǎn)換器在日常運行中基本是靜態(tài)，液壓油中的微小顆粒很容易沉淀積累在滑塊動態(tài)間隙之間，造成滑塊卡澀，從而使電液轉(zhuǎn)換器不動作。

油品中的微顆粒不可能完全過濾，對于靜葉電液轉(zhuǎn)換器而言，沒有大型的油動機(jī)(也不需要使用油動機(jī))，因此不能借油動機(jī)的防卡澀幫助電液轉(zhuǎn)換器防卡。在本身就很細(xì)小的電液轉(zhuǎn)換器滑塊上進(jìn)行防卡澀功能的機(jī)加工，其實現(xiàn)難度不可想象。即使能夠加工出合適的瀉油孔，但由于瀉油孔的孔徑細(xì)小也會被微顆粒堵塞而失去作用。另外，機(jī)加工會破壞電液轉(zhuǎn)換器控制精度，機(jī)械方式解決靜葉電液轉(zhuǎn)換器防卡澀問題難度太大、得不償失。

借鑒機(jī)械防卡澀原理，可以通過控制系統(tǒng)的信號給定得到同樣效果。 在控制系統(tǒng)程序組態(tài)時，給靜葉的控制輸出信號迭加一個正弦振蕩信號。這個迭加的正弦信號在電液轉(zhuǎn)換器電磁轉(zhuǎn)換部分運算后，會輸出帶有正弦振蕩的FMag磁力，與彈簧力的共同作用下使液壓滑塊在一定幅值和頻率下振動，滑塊始終處于動態(tài)平衡中，可以避免微顆粒在滑塊上的沉積以降低卡澀發(fā)生的機(jī)率。

[1] 劉國利.基于控制系統(tǒng)特性分析的熱力設(shè)備故障診斷[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

[2] 于振燕.磁技術(shù)在電液伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2004.

Fault Analysis and Solution for Electro-hydraulic Converter Jam

DOU Bin1, CHAI Shi-wen2

(1.LanzhouPetrochemicalCompanyofChinaPetrol,LanzhouGansu730060,China; 2.GansuAcademyofMechenicalSciences,LanzhouGansu730030,China)

2014-06-12

竇 彬(1974-)，女，甘肅蘭州人，助理工程師，主要從事工業(yè)控制方面的工作。

TK730

A

1007-4414(2014)04-0182-03