塔式起重機(jī)液壓頂升系統(tǒng)故障分析及檢測

徐 明

（中鐵十八局集團(tuán)第六工程有限公司 天津）

一、塔式起重機(jī)液壓頂升系統(tǒng)故障原因分析

塔式起重機(jī)液壓頂升系統(tǒng)故障較多，其中超量的內(nèi)部泄漏是造成液壓頂升系統(tǒng)發(fā)生故障的主要原因。液壓傳動系統(tǒng)在工作過程中，內(nèi)泄漏是一種無法避免的問題，如果泄漏量超過允許范圍，就會直接影響系統(tǒng)的正常運行，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)運行異常、使用壽命縮短。為了將內(nèi)泄漏控制在允許的范圍內(nèi)，需要對相對運動部件的間隙進(jìn)行可靠密封處理。通過對已有的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析來看，導(dǎo)致超量內(nèi)泄漏的主要原因包括油液污染、液壓沖擊以及油溫過高等幾個方面。

1.油液污染

系統(tǒng)液壓元件關(guān)鍵運動副表面之間存在一定的設(shè)計間隙。系統(tǒng)在長期運行的過程中，油液中的固體污染物會隨著液流流入間隙，長期積累之下，間隙中的污染物越來越多，就會導(dǎo)致零件表面發(fā)生一定程度的污染和磨損，而隨著零件表面磨損程度不斷的增加，運動副之間的間隙會不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致內(nèi)泄漏增加。這是一個惡性循環(huán)的過程，需要引起重點注意。

液壓元件磨損的速度主要受到元件本身材料的特性以及污染物顆粒的尺寸的影響。當(dāng)污染物顆粒的尺寸小于間隙時，通常會隨著內(nèi)泄漏穿過間隙，通常只會對元件產(chǎn)生輕微磨損，而尺寸較大的污染物顆粒則不能進(jìn)入到間隙中，因而運動副表面不會產(chǎn)生磨損；而尺寸如果與間隙相等或者稍大的污染物顆粒一旦進(jìn)入到間隙中，就會同時與兩個運動表面發(fā)生直接接觸，并導(dǎo)致摩擦表面發(fā)生嚴(yán)重磨損。任何一個元件都存在能耐受的最大顆粒尺寸，即臨界顆粒尺寸。當(dāng)污染物顆粒的尺寸小于臨界顆粒尺寸或超過臨界顆粒尺寸較大時，基本不會對元件的運行產(chǎn)生影響。因此，元件污染磨損的臨界顆粒尺寸能夠作為系統(tǒng)過濾的重要參數(shù)，對控制系統(tǒng)故障的發(fā)生幾率具有重要意義。

2.液壓沖擊

液壓沖擊會造成極為嚴(yán)重的超量泄漏。在塔式起重機(jī)液壓系統(tǒng)實際頂升的過程中，操作人員的錯誤操作往往是導(dǎo)致液壓沖擊的主要原因。由于閥類操作等原因引起液流流動發(fā)生劇烈變化，這部分液流的功能會轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，壓力發(fā)生瞬間變化，增加到正常情況下的數(shù)倍，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生振動、噪聲、密封損壞等問題，進(jìn)一步導(dǎo)致元件和油管發(fā)生損壞。

液壓沖擊產(chǎn)生的原因有流動變量變化、共振、慣性力、截面積增加效應(yīng)及沖擊波等，沖擊波是造成塔式起重機(jī)液壓頂升系統(tǒng)發(fā)生液壓沖擊的主要原因，當(dāng)油路突然開啟或關(guān)閉時就可能產(chǎn)生沖擊波。而壓力增高受到?jīng)_擊波流速和液流流速的影響，當(dāng)沖擊波流速和液流流速較高時，就會導(dǎo)致壓力迅速增加。通過試驗發(fā)現(xiàn)，塔式起重機(jī)在頂升過程中變速、變向和停車時，液壓沖擊最為嚴(yán)重。在頂升停止時，對系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)泄量進(jìn)行測量，當(dāng)工作壓力為21 MPa時，進(jìn)油管會在0.28 s的過渡過程中產(chǎn)生高達(dá)41 MPa的壓力，示波器顯示衰減振動達(dá)到16次，多次液壓沖擊導(dǎo)致油管發(fā)生強(qiáng)烈振動，最終導(dǎo)致油管密封圈擠入間隙，對已有的密封效果產(chǎn)生破壞，發(fā)生泄漏。

3.油溫過高

塔式起重機(jī)液壓頂升系統(tǒng)發(fā)熱引起泄漏主要是由于液壓油黏度下降，熱沖擊引起壓力增高與間隙變化，以及溫度過高帶來的油液編制、密封圈變形等原因所導(dǎo)致的。當(dāng)液壓油的溫度超過60℃后，油液的黏度會發(fā)生大幅度下降，導(dǎo)致泄漏增加。查閱大量資料數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，液壓油的溫度每升高8℃，其使用壽命則會下降至原來的一半。如油溫從20℃上升到80℃，由于油液的黏度降低，會導(dǎo)致泄漏量增加約21.4倍。另外，油溫升高還會導(dǎo)致正行的使用間隙變小，使元件之間的磨損量不斷增加，最終導(dǎo)致元件之間的間隙增加，泄漏量也隨之增加。

二、液壓系統(tǒng)的檢測與故障預(yù)防

1.液壓系統(tǒng)檢測

（1）檢測目的。為了保證液壓頂升系統(tǒng)能夠長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，除了對液壓油的泄露進(jìn)行控制，還需要及時發(fā)現(xiàn)性能下降的液壓元件。在塔吊頂升的過程中，可以根據(jù)運動速度、動作以及壓力等多個方面的數(shù)據(jù)對塔吊的動作進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)液壓頂升系統(tǒng)的具體故障與故障發(fā)生的原因。

（2）檢測方法。為了能夠在非工作轉(zhuǎn)臺下對液壓頂升系統(tǒng)效率下降的原因進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，需要對各類實際工況進(jìn)行模擬，使系統(tǒng)處于工作壓力狀態(tài)下，從而分別對各個液壓元件進(jìn)行檢測，系統(tǒng)的工作原理圖1所示。

在塔吊頂升作業(yè)的過程中，液壓頂升油缸活塞桿需要頂起塔吊套架以上的結(jié)構(gòu)，當(dāng)液壓油缸上油腔的壓力P1達(dá)到工作壓力時，下油腔與回油管路連接，此時壓力P2為0。而在進(jìn)行系統(tǒng)維修過程中，由于缺少塔吊上部結(jié)構(gòu)的重量，活塞桿的壓力F為0，則P1為0。在這種條件下，為了使P1能夠滿足工作壓力，可以在下游墻回油管路上安裝一只測試閥，然后通過調(diào)節(jié)測試閥的壓力來提高P2的值，要推動活塞桿運動，P1的值也隨之升高，直到滿足工作狀態(tài)時停止。從而模擬出液壓頂升系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測。

圖1 塔式起重機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理圖

（3）分析判斷。在對液壓頂升系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)、保養(yǎng)時，需要將整個系統(tǒng)的各個部件、管路連接完好，并安裝對應(yīng)的測試閥，然后才能啟動電動機(jī)，使系統(tǒng)進(jìn)入運行狀態(tài)后，對系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象進(jìn)行觀察，并以此對確定出現(xiàn)故障的液壓元件進(jìn)行分析。分別觀察壓力表的讀數(shù)、活塞桿伸縮運動的速度變化情況、執(zhí)行元件的動作是否正常以及整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)是否存在異常振動、噪聲、漏油等問題。當(dāng)出現(xiàn)問題之后與正常值進(jìn)行對比分析，則可以確定引起故障的原因和具體的故障液壓元件。

2.液壓系統(tǒng)故障預(yù)防

（1）液壓油污染的預(yù)防。針對液壓油污染的問題，維護(hù)人員需要按照說明書中的規(guī)定對液壓油進(jìn)行定期更換，并在跟換之前對系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)真清洗。同時需要選擇具有一定過濾精度、壓差特性和納污容量的濾油器，否則容易導(dǎo)致液壓油中的固體顆粒得不到有效控制，使系統(tǒng)運動元件的磨損速度加快，導(dǎo)致泄漏問題惡性循環(huán)。另外需要保證系統(tǒng)的各個主要部件處于良好的運行狀態(tài)，比如濾油器要定期進(jìn)行清洗，避免濾油器發(fā)生堵塞而導(dǎo)致頂升速度變慢。

（2）液壓沖擊和系統(tǒng)發(fā)熱的預(yù)防。當(dāng)液壓頂升系統(tǒng)發(fā)生故障后，需要立即對故障原因急性分析和排查。在實際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，操作人員在發(fā)現(xiàn)頂升速度降低或頂不動時，不是對故障原因進(jìn)行排查而是迅速搬動換向操縱桿，這種方式使得系統(tǒng)所產(chǎn)生的沖擊壓力導(dǎo)致溢流閥來不及響應(yīng)，便會使系統(tǒng)繼續(xù)動作，但是由于反復(fù)的沖擊所產(chǎn)生的超高壓以及系統(tǒng)發(fā)熱導(dǎo)致密封受到破壞，泄漏增加，最終導(dǎo)致頂升系統(tǒng)完全停止動作。對此，需要采取不同的解決方案，在頂升前使泵站空轉(zhuǎn)一定時間，在確定系統(tǒng)無任何異常的情況下，在緩慢操作那個換向閥開始頂升動作，這樣不僅能夠保證頂升系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時還能使液壓系統(tǒng)的使用壽命大大延長。