軋機液壓系統(tǒng)故障攻關及國產化改造

李 偉，李 丹

(武漢鋼鐵股份有限公司設備維修總廠，湖北 武漢 430080)

軋制生產線是武漢鋼鐵股份有限公司面向市場提供成品的重要生產線，含有較多核心技術，其萬能軋機壓上、壓下及軸向調整系統(tǒng)為目前世界上最先進的AGC技術，含多項專利。由國外引進投產后，因液壓回路、伺服液壓缸及各類傳感器存在固有設計缺陷，在實際工況復雜，現(xiàn)場環(huán)境惡劣的生產條件下，該系統(tǒng)故障頻發(fā)，作業(yè)率不高，直接威脅到生產的正常進行，影響了產品質量。而且由于進口備件昂貴，給檢修維護造成了較大的經(jīng)濟負擔。

為解決上述問題，對液壓系統(tǒng)及伺服液壓缸進行了改造和國產化試制，經(jīng)過較長時間的實用證明，改造效果很好。

一、改造前萬能軋機的工作狀況

1.萬能軋機主要元件布置

萬能軋機采用AGC技術，該技術是以厚度計模型為基礎，通過液壓伺服系統(tǒng)的伺服液壓缸及時調整上、下水平輥及立輥輥縫值，達到軋出厚度恒定的目標。液壓伺服系統(tǒng)的伺服液壓缸為SMS制造，其中水平伺服液壓缸12臺，立輥伺服液壓缸八臺。該伺服缸結構獨特：活塞桿直徑大，活塞與活塞桿直徑比為1.07；工作行程短(1～0.01mm)，推力大；液壓缸有桿腔回油路，設置背壓為30MPa，頻率響應高（3次/s）；缸套密封件是MerkeL公司為SMS量身定制的；活塞桿和活塞密封采用了改進型格來圈和斯特封；超寬導向帶（60mm）；同時在液壓缸外部設置了導向柱，防止液壓缸活塞桿轉動和偏載。另外，軋機上有壓力、位移傳感器共16個，主要安裝在各伺服液壓油缸內。

2.工況分析

在軋制過程中，水平伺服液壓缸用于調整上、下水平輥輥縫：在軋件進軋機前，萬能TGS(工藝控制系統(tǒng))調整水平伺服液壓缸使輥縫達到道次要求，軌制力為3 800kN，軋件在萬能軋機內的軋制時間約為100s，在軋件進軋機后還要根據(jù)實際情況不斷對輥縫進行微調。由于萬能軋機在運行時需大量冷卻水冷卻軋輥，大量混合氧化鐵渣的冷卻水不斷沖擊下水平伺服液壓缸活塞桿，造成該液壓缸工況十分惡劣。另外，萬能軋機區(qū)域各類傳感器主要安裝在每臺軋機的伺服液壓油缸內，軋制過程中，當伺服液壓缸密封保護效果變差時，污物極易被沖到液壓缸內部，造成傳感器失效或損壞。

在萬能軋機最初投產的半年時間里，僅軋機操作側的下水平伺服液壓缸外泄就造成停機近30h。在1年時間里，由于伺服液壓缸外泄原因，更換23臺伺服液壓缸，多次被迫中斷生產。

二、故障原因分析

1.密封損壞原因分析

對損壞的伺服液壓缸解體發(fā)現(xiàn)，防塵圈、密封圈定位槽及導向環(huán)內均堆滿粉末狀污物，甚至部分導向環(huán)出現(xiàn)非正常磨損，但是在密封圈未完全損壞的缸內沒有發(fā)現(xiàn)污物，對缸體內殘留油樣化驗結果也正常，因而可以確定防塵圈和密封圈損壞是由外部污物造成的。

經(jīng)過對液壓缸的檢測，確認了各零件制造精度無誤。進一步分析發(fā)現(xiàn)防塵圈采用的是Merker PT2防塵圈（如圖1中標號205所示），該防塵圈由一個帶有密封刃口和防塵刃口的PTFE異形圈和二個用作預加載元件的O形圈組成的雙唇口防塵圈（如圖2所示），材料是PTFE/青銅復合材料，具有低摩擦性，特別適用短行程、大直徑活塞桿，具有極佳的除塵效果，但該防塵圈并不防水，因此混有氧化鐵渣的冷卻水極易被沖進伺服液壓缸內部。

圖1 伺服液壓缸結構圖

圖2 PT2防塵圈

2.液壓系統(tǒng)對密封的影響

伺服液壓缸的有桿腔壓力為系統(tǒng)壓力，中間無控制閥，當液壓桿無負載時，有桿腔始終保持約30MPa的高壓，對密封元件影響極大。由于缸外雜質的侵入，使OMS-S型桿封磨損，造成密封圈無壓側被擠出定位槽，進而迅速損壞。

三、改進方案及國產化試制

1.對伺服液壓缸的改造及國產化試制

（1）針對PT2防塵圈不防水的缺點，在PT2防塵圈前增加了一個防水蓋，在防水蓋中加裝了一個自行設計的防水密封圈，阻止水接觸PT2防塵圈，使活塞桿密封免受外部污物的損傷提高活塞桿密封圈的壽命。

對于進口伺服缸防塵能力不足等問題，考慮到在缸的前蓋（上腔）里已經(jīng)沒有足夠的空間再加一道防塵封，重新制作缸前蓋，將前蓋里的防塵封溝槽、活塞桿封溝槽、導向帶溝槽下移，在防塵封溝槽上方新加工一個溝槽，用于安裝一個防水蓋板，防水蓋板上的溝槽安裝一個特殊聚安脂材料制作的Y形封，形成兩道防塵封。

（2）針對該水平伺服液壓缸活塞桿直徑大、背壓高、行程短（微動）及頻率響應高（3次/s）等特點，在國產化試制過程中，設計將精度等級由7級提高到6級，結合此液壓缸的工況，對活塞桿的不圓度、不柱度均要求≤0.01mm。缸筒表面活塞桿表面粗糙度Ra≤0.2μm，缸筒材質選用42GrMn鍛件，活塞桿材質選用40Cr鍛件調質處理，外表面鍍鉻后超精磨。對換下待修復的活塞桿表面采取重新鍍硬鉻工藝，恢復活塞桿尺寸精度，進一步降低備件成本。國產化試制的伺服液壓缸，精度等級比進口缸合理地進行了提高，性能也有所提高，避免活塞桿和缸筒因幾何精度不足而造成的微量不同心，而形成單邊間隙過大、單邊磨現(xiàn)象。

2.對液壓系統(tǒng)回路進行改造

降低上腔壓力也是嘗試手段，首先選擇減壓閥，考慮回油問題選擇了三通減壓閥。三通減壓閥型號為：3DR10 P5-6X/200Y/00M，最高工作壓力31.5MPa，最大流量120L/min?？刂埔患苘垯C及四臺伺服液壓缸有桿腔壓力（保持壓力穩(wěn)定），四臺液壓缸總計流量20L/min，系統(tǒng)工作壓力30MPa，可調整壓力至20MPa，因此所選三通減壓閥能滿足使用要求。預計將有桿腔壓力降至9MPa，同步在TCS系統(tǒng)（電氣控制程序）中以計算軋制力為結果的相關參數(shù)作修改，具體計算如下。

受力分析見圖3。

圖3

伺服液壓缸型號：460/430-155

得出伺服液壓缸面積比：A1/A3=7.93

根據(jù)公式伺服液壓缸外伸（未降低有桿腔壓力前）：

根據(jù)公式伺服液壓缸回程（未降低有桿腔壓力前）：

降低壓力后無論油缸是外伸還是回程，下腔壓力P1會隨之負載而變化，并始終以位置控制為基準，保持足夠的軋制力。該負載力計算可在今后調整壓力參數(shù)時進行參考。

另外從安全生產檢修的角度考慮，在回路中布置了二個高壓截止閥，關閉截止閥即可快速恢復原壓力或對出現(xiàn)故障的伺服缸進行維修。

四、結束語

通過上述改造及國產化試制，設備問題導致的產品缺陷量比上年減少50%，油缸國產化后，備件成本降低30%左右，故障時間比上年減少50%以上，使用周期達到360天，改進效果明顯。